单片集成的百光子数探测器

封面图：片上百光子数探测器示意图

来源：耶鲁大学唐红星课题组

超导纳米线探测器至今已发展二十多年，很多技术指标已经得到了大幅优化。但如多数单光子探测器，超导纳米线探测器不具备光子数分辨能力，即它们的输出只有0（没有光子）和1（有光子）两种状态。当一个或多个光子入射到探测器上时，探测器的输出电压就会饱和，无法分辨具体的入射光子数。然而，很多常见的光量子态（例如压缩态，相干态等）均包含多个光子。因此，发展具备大规模光子数分辨能力的高性能探测器是量子光学领域的重要课题之一。

相变边缘探测器（TES，transition edge sensors）和微波动态电感探测器（MKID，microwave kinetic inductance detectors）是常见的两种光子数可分辨探测器。然而，这些探测器的光子计数率很低，时间抖动大，而且需要在极低温（～100mK）环境下工作。

相比之下，超导纳米线探测器可以实现GHz级别的超高计数率，接近100%的高探测效率，皮秒级别的超低时间抖动，以及可以在相对较高温（2-4K）的环境下工作。这些优势使得超导纳米线探测器对于量子通信、光量子计算等实际应用具有很大的吸引力。如果能利用超导纳米线实现光子数可分辨探测器，将很大程度上促进量子光学实验的发展，提升量子光学应用的技术指标。

目前常见的提升超导纳米线探测器的光子数分辨率的方法是采用时间复用或者空间复用技术。时间复用技术需要用到光纤作为延迟线将入射光束在时域上分成多份，因此集成度和可扩展性不高。空间复用技术则是将多个不同空间位置的超导纳米线串联或并联起来，然而该方案的光子数分辨率受限于读出电信号的信噪比，因此目前最多只集成了24个纳米线，最高光子数分辨率也限制在24。

值得一提的是，目前已有工作报道了将1024个超导纳米线集成的二维单光子探测器阵列。然而为了获得空间分辨率，该方案要求每次读出时至多只有少数几个纳米线被光子激发，不能直接用于探测多光子态，因此不在本文讨论范围内。

利用独特的时空复用方案，可以实现100像素的百光子数可分辨探测器，并将该芯片用于光子数统计分布的测量。

在4mm×1mm的微小硅光芯片上集成了100个超导纳米线阵列，每个纳米线之间用延时高达1ns的微波延迟线相连，因此即使很多个纳米线同时被光子激发，读出电路依然可以用时间复用的方法分辨被激发纳米线的数量和位置，从而实现了最高达100的光子数分辨率。

该团队采用的时空复用方案的基本原理如图1所示。该团队利用氮化硅（SiN）薄膜作为光波导材料，在一根光波导上集成了100个氮化铌（NbN）超导纳米线探测器阵列。每一个纳米线都并联了一个由片上电阻和电感组成的低通滤波器作为每一路探测器独立的重置环路，并和输出电路和信号分开。这100个纳米线之间则用延时1ns的微波延迟线串联起来，因此读出电路可以根据探测器产生的微波脉冲到达的时间来确定被激发的纳米线的位置。

百光子数探测器的实物图如图2所示。入射光通过光栅耦合器耦合到光波导中，然后被100个纳米线所吸收和探测。

图2：片上探测器实物图

图源：Nature Photonics

图3：示波器眼图

图源：Nature Photonics

图4：真热光源的光子数统计分布。通过调节脉冲宽度，光量子态从单模热光场（对应玻色-爱因斯坦分布）转变成多模热光场（对应泊松分布）。

图源：Nature Photonics