日前，中國(guó)科大學(xué)理化技術(shù)研究所梁驚濤團(tuán)隊(duì)與中科院北京微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團(tuán)隊(duì)合作，在面向空間應(yīng)用的超導(dǎo)單光子偵測(cè)器（SNSPD）技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了通訊波段最大偵測(cè)效率93%的新紀(jì)錄，為我國(guó)舉辦基于超導(dǎo)單光子偵測(cè)器的深空通訊、空間量子信息等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。5月20日（上海時(shí)間），相關(guān)研究成果以《系統(tǒng)偵測(cè)效率達(dá)到93%的基于可空間應(yīng)用制熱機(jī)的超導(dǎo)單光子偵測(cè)器（-withaof93%ina2.4Kspace-）》為題，以快報(bào)（）方式，在線發(fā)表在and上。
超導(dǎo)納火鍋單光子偵測(cè)器（SNSPD：-）作為高性能的單光子偵測(cè)器，廣泛地應(yīng)用于量子信息、激光雷達(dá)、深空通訊等領(lǐng)域，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步。迄今為止，所有的SNSPD均只在地面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證。倘若能在空間應(yīng)用中采用SNSPD，有望促進(jìn)空間光學(xué)天文觀測(cè)、深空光通訊、空間量子信息等技術(shù)的跨越式發(fā)展。而阻礙SNSPD空間應(yīng)用的主要誘因是制熱技術(shù)。SNSPD一般須要在液氦（4.2K）以下溫區(qū)工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級(jí)閉合循環(huán)制熱機(jī)。但是，這類制熱機(jī)采用油潤(rùn)滑壓縮機(jī)宇宙 量子通訊，冷頭有運(yùn)動(dòng)部件，且深受容積、重量幀率阻礙，未能實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用。
瞄準(zhǔn)空間應(yīng)用對(duì)高性能單光子偵測(cè)技術(shù)的急切需求，科研人員發(fā)展面向空間應(yīng)用的大型液氦溫區(qū)制熱機(jī)技術(shù)，并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合以實(shí)現(xiàn)可空間應(yīng)用的高性能SNSPD系統(tǒng)。2017年1月，法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）首次報(bào)導(dǎo)基于五級(jí)脈管加JT節(jié)流技術(shù)的大型制熱機(jī)，其JT的壓縮機(jī)仍未成功研發(fā)【IEEEon27:(2017)】。2017年9月，法國(guó)圖盧茲學(xué)院報(bào)導(dǎo)了可空間應(yīng)用的基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的大型制熱機(jī)，最低氣溫只能達(dá)到4.2K。借助該制熱機(jī)實(shí)現(xiàn)了SNSPD系統(tǒng)，但性能有限（波長(zhǎng)/暗計(jì)數(shù)KHz/偵測(cè)效率僅20%），與半導(dǎo)體偵測(cè)器性能相當(dāng)【and30:(2017)】。理化所梁驚濤團(tuán)隊(duì)和北京微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)合作舉辦面向空間應(yīng)用的SNSPD系統(tǒng)研制。理化所研制出可實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的二級(jí)脈管+JT節(jié)流技術(shù)大型制熱機(jī)，最低無(wú)負(fù)載工作氣溫可達(dá)到2.6K，微系統(tǒng)所研制了出高性能的SNSPD。團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻破一系列集成技術(shù)困局后，首次實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)偵測(cè)效率超過(guò)50%的SNSPD系統(tǒng)【26:2965(2018)】，展示了SNSPD相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體單光子偵測(cè)器在空間應(yīng)用中的性能優(yōu)勢(shì)及潛力。
2020年，理化所依托在空間制熱領(lǐng)域的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步優(yōu)化制熱機(jī)，增加制熱機(jī)的容積和最低工作室溫（圖1）。同時(shí)宇宙 量子通訊，北京微系統(tǒng)所借助披薩結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納拉面實(shí)現(xiàn)SNSPD98%的效率紀(jì)錄【28:36884(2020)】。雙方在此基礎(chǔ)上再度合作，實(shí)現(xiàn)了最大偵測(cè)效率93%的可空間應(yīng)用的超導(dǎo)單光子偵測(cè)系統(tǒng)（圖2），刷新了我國(guó)保持了三年多的系統(tǒng)偵測(cè)效率紀(jì)錄。該成果對(duì)于SNSPD的空間應(yīng)用具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。
廣州微系統(tǒng)所博士研究生胡鵬和理化所助理研究員馬躍學(xué)為論文第一作者，北京微系統(tǒng)所研究員李浩、尤立星以及理化所副研究員劉彥杰為論文通信作者。研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研制計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、上海市啟名星項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃，以及中科院青年創(chuàng)新推動(dòng)會(huì)等的支助。
論文鏈接
圖1.第一代（左）與第二代（右）制熱機(jī)真空腔規(guī)格對(duì)比
圖2.SNSPD系統(tǒng)偵測(cè)效率（藍(lán)色曲線）和暗計(jì)數(shù)（紅色曲線）隨偏置電壓變化曲線