【原】世界首个“超导宽带光子探测器”开发成功

Wsz6868 2023-10-31 发布于浙江

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世界首个“超导宽带光子探测器”开发成功 ~以传统纳米带型200倍以上的带宽实现高性能~

2023年10月30日

国立研究开发法人信息通信研究机构

重点

成功开发出了带宽为传统纳米带型200倍以上的“超导宽带光子检测器”
在具有与纳米带型同等的高检测效率的基础上，实现了高生产率、不依赖于偏振光
降低光子探测器的成本制作门槛，期待早日实现量子信息通信、量子计算机等

国立研究开发法人信息通信研究机构( nict nai sity，理事长:德田英幸)在超导带光子检测器中，创造出了即使加宽带宽度也能够高效地进行光子检测的新奇结构，其带宽度比纳米带型宽200倍以上根据本技术，可以解决迄今为止在纳米带型中成为问题的生产率低和偏振依赖性等问题，适用于以量子信息通信技术和量子计算机为首的广泛的尖端技术领域，可以期待这样的技术的社会安装的早期化。

此外，本成果于2023年10月26日(周四)刊登在美国科学杂志《Optica Quantum》上。

背景

光子检测技术，目前，不仅局限于在世界范围内进行激烈研究开发的量子信息通信、量子计算机，还作为在使用荧光色素的活细胞观察、深空光通信、激光传感等多领域尖端技术领域中带来创新的战略基础技术被定位。

到目前为止，NICT已经开发出了100纳米以下带宽的“超导纳米带光子检测器”( super conducting nano strip photon detector )；实施了SNSPD )的研究开发。结果，成功实现了超越其他光子探测器的性能，并通过在量子信息通信技术等方面的应用证实了其有用性。但超导纳米带光子探测器的制作需要通过先进的纳米加工技术形成纳米带结构，导致了探测器性能的偏差，阻碍了生产率的提高。另外，由于曲折状配置的超导纳米带结构，存在偏振依赖性也成为缩小光子检测器应用范围的原因。

这次的成果

图1 .此次研制的超导宽带光子探测器(电镜图)

此次，NICT在由超导带构成的光子检测器中，即使扩大带宽度也能够高效地进行光子检测，创造了被称为“高临界电流库( High Critical Current Bank ；HCCB )结构＂的新奇结构，开发带宽为传统纳米带型的200倍以上宽20微米的“超导宽带光子检测器”( super conducting wide strip photon detector ； SWSPD ) (参照图1 )，在世界上首次成功实现了高性能动作。

如图2所示，此前在NICT中推进研究开发的纳米带型需要将带宽100纳米以下的超长超导纳米带形成为曲折状，而这次开发的宽条型，现在只需要一根短的超导条就可以形成了。

这种“超导宽带光子探测器”不需要纳米加工技术，可以通过高生产率的通用光刻技术制作。另外，由于条宽比从光纤照射的入射光斑宽，所以可以用一根短的超导条形成受光部，可以消除纳米条型中看到的偏振光依赖性。对该检测器的性能进行了评估，结果表明，通信波段(λ= 1，550纳米)中的检测效率为78%，性能并不逊色于纳米带型的81%，此外，在定时抖动方面显示出了比纳米带型更好的数值(参照图2 )。

图2 .现有技术(超导纳米带光子检测器)与此次开发的技术(超导宽带光子检测器)的结构及性能比较

今后的展望

根据此次的成果，与在以量子信息通信为首的尖端技术领域中作为必不可少的光子检测技术被定位的纳米带型相比，可以在更高的生产率下制造具有优异性能特征的光子检测器。为了实现量子网络和JST月球快照目标6中推进的网络型量子计算机，预计今后所需的高性能光子探测器的数量将会飞跃性地增长，但本技术有望满足这样的要求。

另外，今后将进一步探索“超导宽带光子检测器”中的HCCB结构，通过不仅在通信波段，而且在从可见到中红外的宽波段中能够高效地检测光子的技术、以及受光部的进一步扩大，目标是应用于深空光通信技术、激光传感、活细胞观察等各种尖端技术领域。

论文信息

刊登杂志: Optica Quantum DOI: 10.1364/OPTICAQ.497675 URL:https:///10.1364/opticaq.497675 论文名称: super conducting wide strip photon检测器with high critical current bank structure 作者: Masahiro Yabuno，Fumihiro China，Hirotaka Terai and Shigehito Miki

用語解説

超导带状光子探测器

光子探测器是检测入射光子的重要器件，是提高量子信息通信、量子计算机等性能的关键装置，超导带材光子探测器是利用光子入射引起的超导带材电阻变化进行光子检测的结构。纳米带型由带宽100纳米以下的超导纳米带形成，可以利用光子入射产生的局部电阻区进行光子检测。虽然在从紫外到中红外的广阔波长范围内具有灵敏度，但特别是在通信波长范围内被定位为世界上最高性能的光子检测器。迄今为止，超导带光子检测器一直被认为带宽越窄检测效率越高，但此次开发的是带宽20微米的宽带型，难以提高检测效率。

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偏振依赖性

相对于光子检测器入射光子的偏振状态，检测效率会发生变动。

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蜿蜒状

正如在图2(NICT制SNSPD )中可以看到的那样，是一根很长的带材一边折叠成曲折状一边配置的形状。

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高临界电流库( High Critical Current Bank )； HCCB )结构

在超导带中通入电流后，在带状线宽度方向上会产生电流分布的不均匀性(参照图3(b ) )。特别是，由于在带材端部会产生高电流密度，因此会产生外加电流对超导临界电流的不均匀性。高临界电流库结构通过在条端部形成具有高临界电流值的库结构(见图3 )，可以避免该电流比的不均匀性。