【特邀报告】量子眼——单光子探测器

随着人类对量子世界认识的不断加深以及实验科技的进步，量子态产生、调控及探测能力也逐渐得到增强，以此为基础的量子信息技术成为本世纪初的科技和产业热点，并被称为“第二次量子革命”。光是电磁波谱中人类认识最为全面的波段，光子也是最易产生、操控、传输及探测的量子态载体之一。因此，光量子信息技术在量子信息技术中扮演着关键角色。光量子信息中信息的载体是单个光子。因此，单光子探测器（SPD: Single photon detector）就成为光量子信息技术中不可或缺的核心器件。

目前主流的单光子探测技术包括光电倍增管（PMT: Photomultiplier Tube）、半导体雪崩光电二极管（APD: Avalanche Photodiode）以及超导（纳米线）单光子探测器（SSPD：superconducting nanowire single photon detector/superconducting strip photon detector）三种。

PMT是基于外光电效应和二次电子发射效应的一种SPD。光子被光阴极吸收后，光阴极激发出光电子；光电子进入倍增系统通过进一步的二次发射得到倍增放大，多级倍增之后产生的大量电子到达阳极形成可测量的电脉冲信号。PMT主要工作在紫外、可见和近红外区，具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。与其它几类SPD相比，光敏面大是它最为独特的优势，典型尺寸可以从几毫米到几百毫米不等，特别适合于大光敏面需求的应用领域，目前最大的PMT可达20英寸。比如日本滨松是国际PMT的主要提供商，它提供的PMT已经应用于神冈中微子探测实验中，成果获得两项诺贝尔物理学奖。近年来，我国北方夜视等单位自主研发的20英寸PMT也逐渐成熟，并且在国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO）和江门中微子实验中大量使用。

APD利用半导体的内光电效应实现了单光子探测。给光电二极管较高的反向偏置电压后，利用雪崩击穿效应，可在APD中获得数百乃至上千倍的内部电流增益，通常又被称为SPAD（Single Photon Avalanche Diode）。SPAD使用的材料不同，可以分别工作在可见光（Si材料）或近红外（InGaAs/InP材料）波段。SPAD具备体积小、集成度高的优势，已成为一种主流的SPD技术，并在激光测距、分布式传感、弱光成像、高速光电分析仪器、无线光通信以及量子信息等领域得到了广泛的应用。国际上已经有多家商业公司提供SPAD及基于SPAD阵列的相机产品，比如Excelitas、ID Quantique、MPD等。我国中电44所和中科大等单位合作，已经掌握近红外波段高性能SPAD芯片及其相关电路技术，自研SPAD性能已经达到国际先进水平，并在量子通信、激光雷达等领域得到了应用。

SSPD利用微纳尺度的超导材料相变实现量子极限灵敏度光探测，在可见及近红外波段均展示了无与伦比的单光子探测能力。目前SSPD的探测效率已接近1，并且在光量子信息等领域得到了广泛的应用。我国SSPD主要研究单位有中国科学院上海微系统与信息技术研究所、南京大学和天津大学等。我国SSPD研发实力已全面达到了国际先进水平，为我国在量子信息等领域进入国际第一梯队提供了核心探测器支撑。比如作者所在的上海微系统所团队已经掌握了SSPD材料生长、器件设计与工艺、低温系统集成等全链条技术，研发的SSPD在光纤通信1550 nm波长最高系统探测效率达到98%，最低暗计数达到1 cps以下，达到了世界最好水平。需要特别说明的是，相关团队已依托上海微系统所孵化了赋同量子科技有限公司，成功实现了SSPD技术产品化，改变了该领域长期依赖进口产品的现状。五年来，已经为国内用户提供逾百台高性能SNSPD系统，国内市场占有率逾七成，成为了光电领域高端科研仪器国产化的典范。

本世纪SPD发展的最强大的需求牵引来自于量子信息技术的快速发展。InGaAs APD由于其体积小、集成度高，已经广泛应用于国内外量子通信中，包括京沪量子通信干线和全球首颗墨子号量子通信卫星。但是其存在着探测效率有限、暗计数高等不足，短期内没有很好的解决方案。而SNSPD具有高探测效率、低暗计数、高速度等优势，受到了量子信息领域的广泛关注。由于其必须使用4 K甚至更低温度的制冷机，使得大规模应用受限。但是，作为一种高端科研仪器，SSPD已经成为量子信息前沿科学实验中的强大工具。2014年以来，潘建伟院士团队在量子通信领域，利用SSPD多次创造了光纤量子密钥分发距离世界纪录；近年来，全球光纤量子密钥分发的距离不断创造新纪录几乎都是使用SSPD实现的。在光量子计算领域，2020年潘建伟院士团队报道了76个光子的量子计算原型机“九章”成果，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解，使得中国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性。“九章”中一项核心技术就是100个高效率SSPDs。在2021年的“九章2.0”中，SNSPD数量增加至144个，探测器性能也得到了进一步提升。

除了量子通信和光量子计算以外，SPD也给大量弱光探测领域带来众多颠覆式创新。2013年美国NASA的LLCD项目利用地面基站的高速SSPD阵列，首次实现了绕月轨道卫星和地球之间的直接光通信，最高速度达到622 Mbps，被誉为空间光通信的里程碑。NASA正在实施的火星探测DSOC项目中将继续采用SSPD技术。2019年我国天琴计划中月球激光测距采用了多通道SSPD达到了厘米级分辨率。2021年，中科大窦贤康、夏海云团队基于SSPD发明了一种单光子探测自由空间区段光谱遥感技术，实现了自由大气中二氧化碳和半重水有距离分辨率的光谱遥感分析。2021年，中科大潘建伟、徐飞虎团队利用InGaAs SPAD实现超过200公里的远距离单光子三维成像，为远距离目标识别、对地观测等领域应用开辟新道路。需要说明的是，以上弱光探测都仅使用了SPD的光子计数功能，光的量子态信息尚未得到利用。未来如果能够在应用中利用光的量子态信息，将有望进一步增加信息维度，使得真正的量子雷达和量子成像成为可能，为军事等应用带来变革性技术。

随着量子信息等领域研发和产业化的进一步推进，SPD的需求仍会进一步增长，同时对更高性能的SPD以及国产化SPD提出进一步的要求。传统的非超导单光子探测器性能相对比较成熟，但是探测效率等性能指标提升空间有限、性价比和像素数量不足等仍是其发展的主要瓶颈。而对于SSPD，一方面极限性能指标（极限效率、极低噪声、极高速度、极低抖动、光子数分辨能力等）仍然在科研领域存在明确的需求，另外一方面，两项或多项指标同时实现的高综合性能指标SSPD仍存在很多技术挑战。可以说，高性能SSPD将在一定程度上会影响量子信息技术实验科学的发展进程。然而，多项配套技术，包括低温制冷机、恒温器、低温电子学等，其技术成熟度和SWaP仍无法满足大规模应用的需求，并对其产业化的进程产生决定性影响。不管如何，在量子信息等领域的呼唤下，单光子探测器的春天已经到来。

（中科院上海微系统与信息技术研究所 尤立星）

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