賀 青， 劉 劍， 韋聯(lián)福

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610031)

任何溫度不為零的物體都會(huì)發(fā)出電磁輻射。1900年德國(guó)科學(xué)家普朗克首先假設(shè)，黑體(不吸收任何外部能量)的電磁輻射，其能量是不連續(xù)的，即：電磁能量雖然是以電磁波的形式輻射出來(lái)，但電磁波所攜帶的能量卻是一份一份的，并不是連續(xù)取值。這種一份一份能量的最小單元，就稱(chēng)為能量量子?；谶@樣的假設(shè)，普朗克給出了一個(gè)現(xiàn)在稱(chēng)為普朗克公式的定律，成功地解釋了黑體輻射的能譜分布，從而驅(qū)散了當(dāng)時(shí)漂浮于經(jīng)典物理晴朗天空上的“兩朵烏云”之一的黑體輻射定律[1]。根據(jù)普朗克的這一假設(shè)，頻率為ν的單色電磁波，其攜帶的最小能量單位就為hν。這里，h=6.626×10-34J·s，是一個(gè)常數(shù)(后來(lái)被稱(chēng)為普朗克常數(shù))。如果該電磁波處于光學(xué)波段，那么就可以認(rèn)為單色光是由許多攜帶有最小能量單元hν的光子組成。習(xí)慣上，人們不加區(qū)別地將攜帶最小能量單元的任何波段的電磁波都稱(chēng)為單光子。1905年，愛(ài)因斯坦基于這一概念解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；之后，波爾將光子應(yīng)用于解釋實(shí)驗(yàn)中所觀測(cè)到的線狀原子光譜。由此，光子這一概念就被廣泛地接受了?，F(xiàn)在，我們知道，在量子場(chǎng)論中，光子就是攜帶電磁場(chǎng)最小能量單元的元激發(fā)，是傳遞電磁相互作用的媒介粒子[1]。

從能量的角度看，電磁波可以看成一種“光子流”，它與我們通常所熟悉的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)變化(即麥克斯韋方程所描述)的電磁波圖像是等價(jià)的。

基于這樣的物理圖像，一束光包括多少個(gè)光子可以簡(jiǎn)單地用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的通量：Φ=IA/(hν)=P/(hν)(單位為：s-1)來(lái)描述。這里，光波被看作一束單色平面波，P是光功率。比如，電功率為1 mW激光器，發(fā)出波長(zhǎng)為600 nm(頻率為ν=5×1013Hz=50 THz)的激光，假定電光轉(zhuǎn)換效率為10%,那么每秒鐘發(fā)出的光子數(shù)就可以估算為：N=0.1×PW/(hν)，P約為10-3數(shù)量級(jí)，N約為1017數(shù)量級(jí)個(gè)光子?？紤]到光子的傳播速度為c=3×108m/s,因而在很短時(shí)間(微秒量級(jí))內(nèi)通過(guò)一個(gè)很小的空間距離(比如微米級(jí)的光敏材料厚度)的光子數(shù)可以估算為n=c×10-12×1017，約為1013數(shù)量級(jí)，這個(gè)數(shù)目相當(dāng)大，所以可以通過(guò)測(cè)量大量光子聚集所導(dǎo)致的電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量的變化來(lái)進(jìn)行光探測(cè)，這就是通常電磁波的電、磁場(chǎng)“強(qiáng)度”探測(cè)。我們知道，電磁波在傳播過(guò)程中，其強(qiáng)度(正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方)隨著傳播距離而衰減，比如：對(duì)點(diǎn)光源發(fā)出自由空間中傳播的球面波,單位球面積上的光強(qiáng)是按傳播距離的平方律衰減；即使在光纖中，也有約0.2 dB/km的衰減率，這意味著每15 km強(qiáng)度就會(huì)減弱一半(3 dB)。所以，對(duì)長(zhǎng)距離電磁波的傳播來(lái)說(shuō)，到達(dá)終端的電磁波已經(jīng)是非常微弱，比如皮瓦級(jí)功率的光束，在微秒時(shí)間內(nèi)傳播微米距離的光子數(shù)目，平均來(lái)說(shuō)就可能只是個(gè)位數(shù)了。要檢測(cè)如此微弱的信號(hào)，探測(cè)電、磁場(chǎng)強(qiáng)度是不可能的，因而只能直接探測(cè)其能量響應(yīng)。物理上，攜帶最小能量的電磁波信號(hào)，就是單個(gè)光子信號(hào)。所以要物理極限探測(cè)微弱電磁波信號(hào)，就需要研發(fā)可探測(cè)單光子能量信號(hào)的單光子探測(cè)器。

作為電磁波最小的能量單元，單光子在能量上是不可分割的(即任何光場(chǎng)都不可能處于能量小于單個(gè)光子的狀態(tài))。這種單光子能量上的不可分割性可由著名的HBT(handury brown-twiss)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。其基本思想是，一個(gè)單光子經(jīng)過(guò)一個(gè)半反半透的分束器后通過(guò)2條路徑分別由2個(gè)單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；由于光子能量已經(jīng)最小，所以經(jīng)過(guò)分束器后，光子并不是一分為二地沿2條光程相同的路徑傳播而只能選擇其中的一條路徑達(dá)到探測(cè)器，因而在同一時(shí)刻2個(gè)探測(cè)器中最多只能有一個(gè)探測(cè)器有響應(yīng)，不存在2個(gè)探測(cè)器都有響應(yīng)的符合計(jì)數(shù)事件發(fā)生。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的難度相當(dāng)大，這其中不但需要從物理上厘清單光子探測(cè)的機(jī)理，還需要研發(fā)具有很高能量靈敏度的探測(cè)器。單光子探測(cè)器的研究具有非常悠久的歷史。近年來(lái)，隨著光量子信息處理技術(shù)研究的迅猛發(fā)展，對(duì)單光子探測(cè)器的需求日益增強(qiáng)，因而成為第二代量子技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域中一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單光子探測(cè)器，比如基于外光電效應(yīng)原理工作的光電倍增管，受限于較大的探測(cè)材料的逸出功，一般只能響應(yīng)在可見(jiàn)光波段，而對(duì)光纖低損耗光量子信息處理用的1 550 nm紅外光基本沒(méi)有響應(yīng)，因而需要研發(fā)基于半導(dǎo)體材料內(nèi)光電效應(yīng)的紅外單光子探測(cè)器。但是，由于半導(dǎo)體能隙主要處于紅外波段，受限于器件各種不可避免的噪聲，因而半導(dǎo)體材料雖然可以吸收光子實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)，但探測(cè)效率一般都不高(20%左右或更低)，難以滿足高品質(zhì)光量子信息處理的需要。所以，具有更低能隙的超導(dǎo)薄膜材料(比半導(dǎo)體材料能隙低3～4個(gè)數(shù)量級(jí))就可以彌補(bǔ)這一缺陷，因而超導(dǎo)單光子探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光子的高靈敏度探測(cè)，可以滿足高效光量子信息處理的要求。為了與現(xiàn)有成熟的微波通信和傳感技術(shù)兼容，以及構(gòu)建量子計(jì)算芯片中量子信息讀取的需要，微波單光子探測(cè)器就成為在微波波段實(shí)現(xiàn)量子信息處理的基本要求。但是，自然界中的原子能級(jí)躍遷基本上都是處于光學(xué)波段，因而并不能吸收微波光子，所以要實(shí)現(xiàn)微波單光子探測(cè)，就需要獲得能級(jí)躍遷處于微波頻段的人造原子。近年來(lái)迅速發(fā)展的量子相干調(diào)控技術(shù)，為人們提供構(gòu)建各種能吸收微波單光子的人造量子器件(即人工原子)，比如：金剛石中的NV色心[2-3]、高激發(fā)態(tài)里德堡原子[4-5]、超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)量子電路和液氦表面上的人造氫原子等[6-12]。所以，基于這些人造量子體系，實(shí)現(xiàn)微波頻段的單光子探測(cè)，成為近年來(lái)單光子探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

面向量子信息處理領(lǐng)域?qū)喂庾犹綔y(cè)器的核心需求，本文系統(tǒng)總結(jié)目前主流的各種紅外和微波單光子探測(cè)器的研究現(xiàn)狀，力求從探測(cè)原理和可實(shí)現(xiàn)的相關(guān)性能指標(biāo)參數(shù)出發(fā)，分析它們的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，進(jìn)而展望這一領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 單光子探測(cè)原理及單光子探測(cè)器的性能指標(biāo)

顧名思義，單光子探測(cè)就是對(duì)能量已經(jīng)達(dá)到物理極限的最為微弱的電磁波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。從探測(cè)機(jī)制上看，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的主要方式可分為2類(lèi)。

1.1 非相干單光子探測(cè)

利用吸光材料吸收光子能量，通過(guò)光電效應(yīng)將光子能量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，這是一種破壞性光子探測(cè)，也就是說(shuō)探測(cè)以后該光子就不存在了。根據(jù)光電效應(yīng)所發(fā)射光電子去向的不同，基于光電效應(yīng)的非相干光子探測(cè)又可分為2種。

1)基于外光電效應(yīng)的單光子探測(cè)。

如圖1(a)所示，在光子照射下，電子脫離光電效應(yīng)陰極(一般是金屬或原子氣體)，以速度為v，動(dòng)能為Ek=mev2/2=hν-W，出射到陰極材料外面(這里W為陰極材料的電子逸出功)，形成自由運(yùn)動(dòng)的電子(稱(chēng)為光電子)，檢測(cè)這種光電子信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光子的探測(cè)。

2)基于內(nèi)光電效應(yīng)的光子探測(cè)器。

內(nèi)光電效應(yīng)如圖1(b)所示，陰極(一般是半導(dǎo)體材料或超導(dǎo)薄膜材料)中的電子吸收入射光子的能量后，躍遷到吸光材料的另一個(gè)能態(tài)(但沒(méi)有從陰極材料中逸出)，改變了陰極的導(dǎo)電特性(比如從不導(dǎo)電到導(dǎo)電)，這就是內(nèi)光電效應(yīng)。比如，對(duì)半導(dǎo)體光敏材料(光陰極)，當(dāng)沒(méi)有光子入射時(shí)半導(dǎo)體中的載流子(電子)全部分布于不導(dǎo)電的價(jià)帶上；如果入射的光子能量大于半導(dǎo)體能隙ΔE，部分電子就會(huì)吸收入射光子的能量，躍遷到導(dǎo)帶上，改變陰極材料導(dǎo)電特性；測(cè)量陰極的導(dǎo)電性變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光子的探測(cè)，這就是半導(dǎo)體單光子探測(cè)器的基本工作原理。與圖1(b)類(lèi)似，如果陰極吸光材料是超導(dǎo)薄膜(超導(dǎo)能隙為ΔSC)，那么吸收頻率滿足條件:hν>ΔSC的光子能量(熱量)后，部分庫(kù)珀對(duì)就會(huì)被拆散而成為準(zhǔn)粒子，從而對(duì)超導(dǎo)薄膜材料的整體超導(dǎo)性造成破壞，導(dǎo)致部分或整體導(dǎo)電特性的改變。利用超導(dǎo)薄膜器件的這種導(dǎo)電性變化所實(shí)現(xiàn)的單光子探測(cè)，就是超導(dǎo)單光子探測(cè)器。

圖1 光電效應(yīng)Fig.1 Photoelectric effects

1.2 相干光子探測(cè)

利用光子的某種響應(yīng)，間接實(shí)現(xiàn)光子信號(hào)的探測(cè)，探測(cè)后該光子的能量并不被吸收而可以繼續(xù)保持，可供多次探測(cè)。這就是相干的單光子探測(cè)，它又可以分為2種實(shí)現(xiàn)方式。

1)外差式相干單光子探測(cè)。

探測(cè)原理如圖2所示。這里，要探測(cè)微弱的光信號(hào),經(jīng)接收器接收后先與本振光源發(fā)出的窄線譜光通過(guò)一個(gè)混頻器混頻(或者稱(chēng)為拍頻),輸出和頻光與差頻光；濾掉和頻成分而保留低頻的差頻電信號(hào)，由電子線路進(jìn)行檢測(cè)處理。如果光電探測(cè)器的響應(yīng)度為S,則其得到的含有信息的光電流可表示為

(1)

顯然，這種測(cè)量不是基于消滅光子的非相干探測(cè)，而將探測(cè)光子的能量通過(guò)外差轉(zhuǎn)移到了差頻信號(hào)。當(dāng)然，外差探測(cè)器要求待探測(cè)光子信號(hào)的頻率已知，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)與本振信號(hào)的混頻。

圖2 相干光子探測(cè)典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical configuration of the coherent photon detection.

2)量子非破壞測(cè)量。

第3章將具體以腔中微波駐波場(chǎng)的光子數(shù)QND測(cè)量為例，說(shuō)明其物理原理。

1.3 單光子探測(cè)器的主要性能指標(biāo)

一個(gè)理想的單光子探測(cè)器應(yīng)能夠?qū)斎氲拿總€(gè)光子信號(hào)(其能量已經(jīng)是最低的單光子能量)響應(yīng)并得到一個(gè)可檢測(cè)的電信號(hào)。因而，要求探測(cè)器具有很高的探測(cè)靈敏度(即能響應(yīng)極其微弱的電磁信號(hào))，探測(cè)效率盡可能高(理想情況是100%)；此外，探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間、時(shí)間抖動(dòng)、死時(shí)間、暗計(jì)數(shù)率以及后脈沖延遲等也都要越小越好(接近于零)。但實(shí)際上，研發(fā)單光子探測(cè)器都只能盡量?jī)?yōu)化這些性能指標(biāo)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的特定需要。下面簡(jiǎn)單介紹衡量這些性能指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)。

1.3.1 噪聲等效功率

1.3.2 探測(cè)效率

探測(cè)效率表示的是當(dāng)一個(gè)光子入射至探測(cè)器的有效感光區(qū)域?qū)?yīng)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度足以被外置電路讀取的電信號(hào)的概率，這是單光子探測(cè)器非常核心的一個(gè)性能指標(biāo)。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的單光子探測(cè)器，其探測(cè)效率不僅取決于陰極材料的光敏特性(即光子響應(yīng)靈敏度)，還與探測(cè)器的封裝以及外部偏置有關(guān)。比如，對(duì)于光纖耦合型的單光子探測(cè)器，其探測(cè)效率不僅僅受光敏材料感光面及光敏特性的影響，還與導(dǎo)入光子信號(hào)的光纖損耗特性及光纖與光敏材料的耦合方式有關(guān)。習(xí)慣上感把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可檢測(cè)電信號(hào)的整體效率稱(chēng)為該單光子探測(cè)器的“系統(tǒng)效率”。圖3給出了決定光纖耦合和自由空間耦合2種典型單光子探測(cè)器系統(tǒng)效率的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于光纖耦合型探測(cè)器，其系統(tǒng)效率ηDE包括幾個(gè)獨(dú)立的效率[13]。

(2)

(3)

圖3 單光子探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)效率組成示意[13]Fig.3 Detected efficiencies of single-photon detection systems[13]

圖4 一種光纖對(duì)準(zhǔn)裝置示意[15]Fig.4 Schematic diagram of a light spot alignment device[15]

目前，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)效率在可見(jiàn)光波段通常只有50%左右，而在紅外或近紅外，比如1 550 nm通信波段，最高可能只有10%，而超導(dǎo)單光子探測(cè)器已經(jīng)能達(dá)到95%以上。經(jīng)過(guò)多年摸索，西南交通大學(xué)課題組發(fā)明了一種可實(shí)現(xiàn)極高精度的光纖對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，取得了較好的光纖對(duì)準(zhǔn)效果[15]。其主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)直角坐標(biāo)下X、Y、Z方向可調(diào)的樣品盒，利用光纖耦合頭讓光斑聚集在探測(cè)器的光敏區(qū)，如圖4所示。

1.3.3 暗計(jì)數(shù)

在理想情況下，如果沒(méi)有信號(hào)輸入至探測(cè)器，則探測(cè)器應(yīng)該就沒(méi)有信號(hào)輸出。實(shí)際上，由于熱激發(fā)、材料自身特性或者外部電路噪聲等因素的存在都會(huì)額外引入暗計(jì)數(shù)，這些噪聲信號(hào)引起的計(jì)數(shù)平均值都統(tǒng)稱(chēng)為暗計(jì)數(shù)。對(duì)于低溫超導(dǎo)探測(cè)器而言，其最大的優(yōu)勢(shì)就是可以最大限度地限制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱噪聲所導(dǎo)致的暗計(jì)數(shù)。不同的探測(cè)器針對(duì)不同波段的探測(cè)過(guò)程中，其暗計(jì)數(shù)各不相同?；诎雽?dǎo)體的單光子雪崩二極管探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)在幾十到幾百kHz的范圍；超導(dǎo)單光子探測(cè)器則由于其工作溫度特別低，暗計(jì)數(shù)可低至幾十Hz甚至更低。

1.3.4 死時(shí)間和計(jì)數(shù)率

死時(shí)間又稱(chēng)為恢復(fù)時(shí)間，即探測(cè)器在探測(cè)到一份能量信號(hào)后至回到最初狀態(tài)所需要的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器無(wú)法對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)，因此稱(chēng)為死時(shí)間。很容易理解，死時(shí)間越短探測(cè)器的計(jì)數(shù)便越高。在這方面，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)器可以達(dá)到0.1 μs左右，對(duì)應(yīng)于10 MHz的計(jì)數(shù)率，而像一些納米線超導(dǎo)探測(cè)器已經(jīng)可以達(dá)到1 ns，即計(jì)數(shù)率可達(dá)1 GHz。

1.3.5 探測(cè)譜范圍

光敏材料的光電響應(yīng)機(jī)制決定了探測(cè)器往往只能對(duì)某些頻率范圍內(nèi)的光子才有響應(yīng)。例如，由于光陰極材料的逸出功限制，光電倍增管對(duì)波長(zhǎng)大于光學(xué)波段的光子就難以響應(yīng)；此外，盡管從能量的角度來(lái)說(shuō)，X射線和γ射線的光子遠(yuǎn)大于逸出功，但由于光電效應(yīng)反應(yīng)截面太小(即發(fā)生光電效應(yīng)的概率很低)，所以光電倍增管就不太適合用于探測(cè)比紫外光波長(zhǎng)更短的單光子。對(duì)光通信波段的單光子(如光纖極低損耗的1 550 nm波長(zhǎng)的近紅外光)，由于單光子的能量與半導(dǎo)體光敏材料的能隙幾乎相同，考慮到入射的每個(gè)光子較低吸收效率的影響，所以半導(dǎo)體探測(cè)的效率就不高(一般為10%～20%)。相比之下，低溫超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)能隙比1 550 nm波段單光子能量低3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以一個(gè)光子就可以拆散上千個(gè)庫(kù)珀對(duì)，因而相對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器，超導(dǎo)單光子探測(cè)器更適合應(yīng)用于對(duì)光通信波段單光子的探測(cè)。所以，半導(dǎo)體材料的帶隙寬度和超導(dǎo)材料的超導(dǎo)能隙寬度決定了它們只能探測(cè)能量大于能隙的光子信號(hào)。

1.3.6 光子數(shù)分辨能力

圖5 利用具有PNR單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)泊松光探測(cè) 的光子計(jì)數(shù)脈沖分布[17]Fig.5 Photon counting pulses obtained by using the single photon detector with PNR to detect the Poisson distribution light[17]

根據(jù)是否具有內(nèi)稟的光子數(shù)分辨(photon number resolution，PNR)能力可以將單光子探測(cè)器分為不具有光子數(shù)分辨能力和光子數(shù)可分辨探測(cè)這2類(lèi)。大多數(shù)半導(dǎo)體單光子探測(cè)器SPDA(光子只有一定的概率抽運(yùn)載流子到導(dǎo)帶)和光電倍增管PMT(依賴(lài)于光電子數(shù)目的級(jí)聯(lián)放大)和單個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器SNSPD(單光子過(guò)程和多光子過(guò)程在超導(dǎo)納米線上形成的“熱點(diǎn)”無(wú)法區(qū)分)都沒(méi)有內(nèi)稟的PNR能力，都只能區(qū)分“有光”或“無(wú)光”信號(hào)：“有光”指的是哪怕只有一個(gè)光子入射就能響應(yīng)，但不能區(qū)分“有光”信號(hào)中具體有多少個(gè)光子，所以不具備PNR能力。盡管這類(lèi)單光子探測(cè)器本身不具備PNR能力，衡量光子探測(cè)器具有光子數(shù)可分辨能力的一個(gè)重要指標(biāo)是其能量分辨能力，但可以將多個(gè)這樣的單光子探測(cè)器進(jìn)行多路復(fù)用(集成)后來(lái)實(shí)現(xiàn)光子數(shù)可分辨(入射光通過(guò)分束后由復(fù)用的單個(gè)探測(cè)器分別響應(yīng))，如多片SNSPD陣列集成和可見(jiàn)光光子計(jì)數(shù)器[16]等。

其輸出的電信號(hào)脈沖高度(或面積)直接正比于被吸收的光子能量的整數(shù)倍。圖5展示了一款微波動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器(MKID)的光子數(shù)分辨圖[17]，其中橫坐標(biāo)中的脈沖高度顯示了與單光子能量的正比關(guān)系：第1個(gè)峰對(duì)應(yīng)的是零光子峰探測(cè)事件的個(gè)數(shù)；第2個(gè)峰對(duì)應(yīng)的是單光子峰探測(cè)事件的個(gè)數(shù)，依次類(lèi)推。某個(gè)光子數(shù)峰的能量分辨率ΔE定義為每個(gè)峰的半峰寬(full-width at half maximum, FWHM)[18]除以該峰所對(duì)應(yīng)的單光子能量整數(shù)倍。比如，單光子峰的能量分辨率就是ΔE1/(hν)，它應(yīng)該足夠小于1;如果第4個(gè)光子數(shù)峰ΔE4/(hν)<1,則稱(chēng)該探測(cè)器可以分辨含0,1,2,…,直到4個(gè)光子的信號(hào)。具有內(nèi)稟光子數(shù)分辨能力的探測(cè)器，輸出信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)該正比于入射信號(hào)的光子數(shù)目。目前已知的具有這種屬性的單光子探測(cè)器主要有：固態(tài)光電倍增管[19]、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器(TES)、超導(dǎo)隧穿結(jié)(STJ)光子探測(cè)器以及本課題組研發(fā)的MKID等。

1.3.7 時(shí)間抖動(dòng)

探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)定義為當(dāng)探測(cè)器吸收一個(gè)入射光子后，直至探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的電脈沖輸出信號(hào)(電壓或者電流)之間的時(shí)間間隔Δt，通常通過(guò)表征探測(cè)器的儀器響應(yīng)函數(shù)來(lái)確定[20]。一般可以通過(guò)讀取探測(cè)器計(jì)數(shù)響應(yīng)圖形的半峰寬來(lái)計(jì)算抖動(dòng)時(shí)間值，雖然有些探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)響應(yīng)并不滿足嚴(yán)格的高斯分布，但仍可以通過(guò)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到響應(yīng)信號(hào)的FWHM。

下面將結(jié)合相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景，按波段介紹幾種常用的單光子探測(cè)器。

2 光學(xué)波段單光子探測(cè)器

自從愛(ài)因斯坦提出光子概念，并用其完美解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以來(lái)，人們自然想到可以利用光電效應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的光電流來(lái)實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)，這是一種將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)的過(guò)程，所以常稱(chēng)為光電探測(cè)器。光學(xué)波段在電磁波譜可以分為人眼可以感知的可見(jiàn)光(400～760 nm)、紫外光(100～<400 nm)和紅外光(>760 nm～1 000 μm)。本文在較為系統(tǒng)地總結(jié)這幾個(gè)波段的單光子探測(cè)器及其近期發(fā)展的基礎(chǔ)上，著重論述基于超導(dǎo)薄膜材料實(shí)現(xiàn)紅外單光子探測(cè)的超導(dǎo)單光子探測(cè)器的研究進(jìn)展。

2.1 可見(jiàn)光單光子探測(cè)器

可見(jiàn)光是自然界原子內(nèi)部能級(jí)躍遷光譜的主要分布區(qū)域，所以很容易利用光電效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)。目前主要的可見(jiàn)光單光子探測(cè)器可分為以下2類(lèi)：

1)光電倍增管。

目前，在天體物理、粒子物理等領(lǐng)域仍在廣泛應(yīng)用的光電倍增管(PMT)，其光子探測(cè)原理如圖6所示，主要由一個(gè)光電陰極和幾級(jí)電子倍增系統(tǒng)組成。其中，一個(gè)陽(yáng)極在一個(gè)密封的玻璃外殼內(nèi)，內(nèi)部具有高真空。PMT實(shí)現(xiàn)外來(lái)光子的探測(cè)，主要經(jīng)過(guò)以下5個(gè)步驟：

圖6 典型的光電倍增管[21]Fig.6 Typical photomultiplier tube[21]

(Ⅰ) 光子通過(guò)輸入窗口進(jìn)入光電倍增管。

(Ⅱ) 光子打到光陰極上，外光電效應(yīng)會(huì)從陰極材料上激發(fā)出光電子，發(fā)射到光電管的真空中。

(Ⅲ) 通過(guò)偏置電場(chǎng)控制光電子，使它們聚焦到第1倍增極，激發(fā)出二次電子，實(shí)現(xiàn)第1次電子倍增。

(Ⅳ)二次電子在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)到第2個(gè)陽(yáng)極版上，激發(fā)出更多二次電子，實(shí)現(xiàn)光電子數(shù)目的第2次倍增；繼續(xù)重復(fù)下去，就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的高增益放大。

(Ⅴ) 最后，倍增后的多個(gè)電子被收集起來(lái)，形成可測(cè)量的放大光電流，由電子器件檢測(cè)。

PMT的光譜響應(yīng)主要與光窗材料、光陰極的堿性金屬材料和制備工藝相關(guān)，目前主要光譜響應(yīng)在200 nm到1 200 nm之間。光電倍增管是已經(jīng)商用化的常規(guī)探測(cè)微弱信號(hào)的探測(cè)器，其光電特性的線性關(guān)系良好、性能穩(wěn)定、使用方便，同時(shí)具有超大感光面積、低時(shí)間抖動(dòng)、低死時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，但也有明顯的缺點(diǎn)，其供電電壓很高、體積較大、玻璃外殼抗震性差、價(jià)格昂貴。

2)半導(dǎo)體單光子探測(cè)器。

除了基于外光電效應(yīng)的PMT之外，過(guò)去10多年來(lái)基于內(nèi)光電效應(yīng)的光學(xué)波段半導(dǎo)體單光子探測(cè)器也引起了人們廣泛關(guān)注。這其中，硅雪崩光電二極管單光子探測(cè)器(Si-SPAD)由于其實(shí)用性、高量子效率(QE)和低暗數(shù)噪聲，已成為可見(jiàn)光波長(zhǎng)單光子探測(cè)的首選探測(cè)器[22-24]。2003年，F(xiàn)itch等[25]利用Si-SPAD在250 K的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了680 nm波段39%的探測(cè)效率，其時(shí)間抖動(dòng)低于0.4 ns。緊接著，Thomas等[23]在2010年展示了一種有效的Si-SPAD,在亞納秒門(mén)信號(hào)控制下，該探測(cè)器在600 nm波長(zhǎng)下的單光子探測(cè)效率為73.8%，對(duì)應(yīng)于吸收光子91.1%的雪崩概率。此外，超導(dǎo)單光子探測(cè)器，如SNSPD，也可以運(yùn)用于實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段的單光子探測(cè)[26]。

為了實(shí)現(xiàn)光子數(shù)可分辨的可見(jiàn)光光子探測(cè)，人們研發(fā)了量子點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(quantum dot optically gated field-effect transistor, QDOGFET)光子探測(cè)器。在器件的柵極電極和傳導(dǎo)通道生長(zhǎng)一層薄薄的量子點(diǎn)光學(xué)吸收器，當(dāng)光子照射QDOGFET時(shí)，所產(chǎn)生的載流子增強(qiáng)了雙勢(shì)壘的共振隧穿。因此，通過(guò)調(diào)整場(chǎng)的偏壓可使2個(gè)勢(shì)壘之間的勢(shì)阱與入射光子能量相匹配，使得隧穿率顯著增加。可見(jiàn)，QDOGFET是使用光生電荷的多少來(lái)調(diào)制器件的電導(dǎo)，因而具有PNR能力。但是電荷累積過(guò)程中損耗較大，探測(cè)效率較低。為解決這一問(wèn)題，同樣基于半導(dǎo)體技術(shù)，并借鑒MPT的“雪崩”原理，人們研發(fā)了可見(jiàn)光光子計(jì)數(shù)器(visible light photon counter, VLPC)，如圖7所示。原理上，當(dāng)光子被本征硅層或者摻有砷雜質(zhì)的增益層吸收時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)，因而在兩端一定的偏置電壓作用下，電子加速離開(kāi)增益區(qū)而空穴則加速走向增益區(qū)，在增益區(qū)得到加速的空穴沖擊電離增益區(qū)的砷雜質(zhì)，激發(fā)供體電子進(jìn)入導(dǎo)帶。這些產(chǎn)生的電子進(jìn)一步?jīng)_擊電離砷雜質(zhì)，導(dǎo)致雪崩。物理上，與SPAD的雪崩效應(yīng)不同，在VLPC器件結(jié)構(gòu)中相鄰的As雜質(zhì)的能量態(tài)部分重疊，沖擊電離后留在雜質(zhì)態(tài)中的空穴通過(guò)傳導(dǎo)跳變移動(dòng)非常緩慢，從而可以有效防止空穴產(chǎn)生進(jìn)一步的沖擊電離事件，而且增益層中砷雜質(zhì)的增益區(qū)位于導(dǎo)帶以下,導(dǎo)致電離事件之間的時(shí)間變化很小，所以保證了VLPC具有很低的倍增噪聲，從而可以實(shí)現(xiàn)光子數(shù)的分辨。

圖7 可見(jiàn)光光子計(jì)數(shù)器(VLPC)Fig.7 Visible light photon counter (VLPC)

2.2 紫外光單光子探測(cè)器

圖8 紫外光探測(cè)器的各種應(yīng)用場(chǎng)景[31]Fig..8 Various applications ofthe UV single photon detectors[31]

在紫外光區(qū)，PMT也是實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的主要器件。雖然傳統(tǒng)的PMT及相關(guān)成像器件具有暗數(shù)低、增益高的特點(diǎn)，但同時(shí)也存在真空器件固有的成本高、體積大、壽命短、工作電壓高等缺點(diǎn)。因此，針對(duì)某些特定應(yīng)用場(chǎng)景，如電暈放電、導(dǎo)彈羽流探測(cè)、UV天文學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物、化學(xué)劑探測(cè)和非視距通信等領(lǐng)域[27-31](見(jiàn)圖8)，仍要研發(fā)更為適用的高靈敏度紫外(UV)探測(cè)器。尤其是，針對(duì)240～280 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)輻射被臭氧層強(qiáng)烈吸收現(xiàn)象，探測(cè)器受環(huán)境白光噪聲的影響較小，因而在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的紫外探測(cè)器可被用于太陽(yáng)盲探測(cè)。

最初，用于紫外檢測(cè)的PMT通常需要1個(gè)額外的過(guò)濾器。因此，人們希望用高性能的固態(tài)紫外探測(cè)器來(lái)替代PMT。其中，以蓋革模式工作的雪崩光電二極管具有體積小、倍增增益高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，是弱紫外探測(cè)的理想器件。特別是，開(kāi)發(fā)基于(Al)GaN和SiC等寬禁帶材料的SPAD近年來(lái)受到關(guān)注。其中，雖然(Al)GaN基SPAD具有可調(diào)諧截止波長(zhǎng)[32]的優(yōu)勢(shì)而被寄以厚望，但由于缺乏合適的襯底和外延層中較高的缺陷密度，(Al)GaN SPAD很難在蓋革模式下工作[33]。相比之下，4H-SiC和GaN等具有較大的禁帶能和其他優(yōu)異的物理性能，是最有希望應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)紫外SPAD的候選材料。第1個(gè)4H-SiC APD在1999年研發(fā)成功[34]，并表現(xiàn)出較高的暗電流和較低的增益。得益于SiC材料和功率器件技術(shù)的發(fā)展，2005年研發(fā)了首個(gè)4H-SiC SPAD[35-36]，其室溫暗計(jì)數(shù)率比蓋革模式下的GaN APD低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，在266 nm和325 nm波長(zhǎng)下的單光子探測(cè)效率分別為37%和9.6%。最近，Li等[37]報(bào)道了一種50像素的4H-SiC蓋格模APD線性陣列，具有良好的均勻性，其像素在280 nm處的高單光子探測(cè)效率為15.4%。線性陣列的發(fā)展對(duì)SiC單光子計(jì)數(shù)紫外探測(cè)的未來(lái)成像應(yīng)用具有重要意義。表1展示了3種SiC多型材料以及一些其他的紫外探測(cè)器半導(dǎo)體材料的物理性能比較。

表1 各種半導(dǎo)體的物理性能比較[38-41]

2.3 紅外超導(dǎo)單光子探測(cè)器

PMT雖然已經(jīng)廣泛商用化，但受限于光陰極產(chǎn)生光電子的效率(即光電效應(yīng)效率)，其探測(cè)效率一般只有10%到40%。而且，由于它對(duì)真空管的依賴(lài)限制了其使用壽命、可靠性和可擴(kuò)展性。對(duì)于廣泛運(yùn)用的紅外波段的探測(cè)，則提出了更高的要求，目前，涌現(xiàn)出了半導(dǎo)體單光子探測(cè)器和超導(dǎo)單光子探測(cè)器為代表的紅外單光子探測(cè)器。

2.3.1 半導(dǎo)體單光子探測(cè)器

半導(dǎo)體單光子探測(cè)器表現(xiàn)出了固態(tài)器件所特有的體積小、堅(jiān)固、低功耗、低電壓、高可靠性、低成本，尤其是高探測(cè)效率的優(yōu)點(diǎn)。大體上半導(dǎo)體光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)的方式有4種：

(Ⅰ)光電導(dǎo)探測(cè)，其原理是：半導(dǎo)體吸收能量足夠大的光子后，體內(nèi)一些載流子從束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，從而可以通過(guò)測(cè)量這種放大的電導(dǎo)實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。

(Ⅱ)光伏探測(cè)，即利用P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)。其原理是，入射的能量大于禁帶寬度的紅外光子，在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對(duì)，形成結(jié)電場(chǎng)使空穴進(jìn)入P區(qū)，電子進(jìn)入N區(qū)，這兩部分出現(xiàn)電位差，從而在外電路中輸出電壓或電流信號(hào)。

(Ⅲ)Schottky勢(shì)壘探測(cè)：當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)形成Schottky 勢(shì)壘。入射的紅外光子透過(guò)Si層而被吸收，從而使電子獲得能量躍遷至費(fèi)米能級(jí)，留下空穴越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入Si襯底，而電子則被收集探測(cè)。

(Ⅳ)量子阱探測(cè)器：2種半導(dǎo)體材料薄層用人工方法交替生長(zhǎng)形成超晶格，在其界面有能帶突變，使得電子和空穴被限制在低勢(shì)能阱內(nèi)，形成能量量子化的量子阱。利用入射光子激發(fā)量子阱中的電子實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。

工作在“蓋革模式”下典型的半導(dǎo)體單光子雪崩二極管(SPAD)表現(xiàn)出特別優(yōu)異的性能。原因是，施加在二極管兩端的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓，使得入射光子在吸收層被吸收后產(chǎn)生一個(gè)載流子，并在電場(chǎng)作用下進(jìn)入倍增層，倍增層中的強(qiáng)電場(chǎng)使載流子加速與倍增層材料原子發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，形成易于宏觀測(cè)量的雪崩電流。不同的材料特性決定著單光子雪崩二極管的光譜響應(yīng)，所以針對(duì)不同波段的光子，可以選擇不同的半導(dǎo)體材料來(lái)研制單光子探測(cè)器。目前最常用的2類(lèi)半導(dǎo)體SPAD分別是硅Si-SPAD和InGaAs/InP SPAD。其中，Si-SPAD在可見(jiàn)光到近紅外的波段實(shí)現(xiàn)了單光子探測(cè)，低暗計(jì)數(shù)和定時(shí)抖動(dòng)只有幾十皮秒[42]。而在1.3 μm到1.55 μm通信頻段的SPAD則常采用低帶隙半導(dǎo)體材料制備，如Ge和InGaAs/InP[43-47]，其暗計(jì)數(shù)率比Si-SPAD高一個(gè)數(shù)量級(jí)[48-49]，在近紅外波段具有更高的探測(cè)效率。目前常見(jiàn)的紅外半導(dǎo)體探測(cè)器還包括用于900～1 700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)探測(cè)的InGaAs/InP單光子雪崩二極管[50-53]，以及800～1 500 nm波段探測(cè)的鍺(Ge)單光子雪崩二極管[54]等。特別是以碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷為代表的紅外光電探測(cè)器已在軍事、遙感、通信、生命科學(xué)和宇宙探索等領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

2.3.2 超導(dǎo)單光子探測(cè)器

近幾年來(lái)，隨著光量子信息領(lǐng)域研究的迅猛發(fā)展，除了常規(guī)的半導(dǎo)體單光子探測(cè)器，對(duì)光通信低損耗的1 550 nm波段高量子效率單光子探測(cè)的迫切需求，引發(fā)了低溫超導(dǎo)單光子探測(cè)器的研發(fā)熱潮。這是因?yàn)椋c半導(dǎo)體材料能隙正好處于紅外波段相比，低溫超導(dǎo)體中的超導(dǎo)能隙低了3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，因此同樣能量的紅外光子更顯著地改變超導(dǎo)器件的導(dǎo)電性能，從而更容易實(shí)現(xiàn)其高效率的探測(cè)。經(jīng)過(guò)多年積累，以上海微系統(tǒng)所、南京大學(xué)、紫金山天文臺(tái)和西南交通大學(xué)等為代表的國(guó)內(nèi)同行在超導(dǎo)單光子探測(cè)器方面的研究已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平[55]。

目前，利用低溫超導(dǎo)電子學(xué)器件實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的器件主要有[56]：

1)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)。

20世紀(jì)80年代，俄羅斯的Gol’tsman團(tuán)隊(duì)[57]首先利用200 nm寬、5 nm厚超導(dǎo)氮化鈮(NbN)薄膜納米線實(shí)現(xiàn)810 nm波長(zhǎng)的單光子探測(cè)，這是首次利用SNSPD探測(cè)單光子。圖9(a)完整地描述了SNSDP探測(cè)光子的過(guò)程:先讓超導(dǎo)納米線保持在臨界溫度以下，施加在超導(dǎo)納米線上偏置電流剛好低于納米線的臨界電流；當(dāng)光子能量被納米線吸收時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的電阻熱點(diǎn)；由于NbN納米線較窄，熱點(diǎn)附近的局部電流密度增大，很快會(huì)超過(guò)超導(dǎo)臨界電流密度，導(dǎo)致熱點(diǎn)附近的超導(dǎo)態(tài)遭受破壞，從而熱點(diǎn)變大；隨著熱點(diǎn)變大，在納米線的寬度上形成一個(gè)有阻區(qū)域，導(dǎo)致在外電路(圖9(b))中輸出電壓信號(hào)(圖 9(c))；低溫環(huán)境下熱量很快散發(fā)，導(dǎo)線再次完全超導(dǎo)，進(jìn)入下一次探測(cè)。在整個(gè)過(guò)程中，光子響應(yīng)在檢測(cè)信號(hào)上面的表示就是一個(gè)電壓脈沖出現(xiàn)在納米線的兩端，其上升很快，而下降過(guò)程較慢(圖9(c))[58-60]。

圖9 超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)Fig.9 SNSPD detection

特別地，國(guó)產(chǎn)高探測(cè)效率SNSPD在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成的一大批有國(guó)際重大影響的高水平光量子信息處理研究[61]中發(fā)揮了重要作用。目前為止，在近紅外波段，SNSPD的系統(tǒng)探測(cè)效率已經(jīng)超過(guò)98%，非常接近理想的100%極限；在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)所制備的兩代“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)中，SNSPD扮演著不可代替的作用；同時(shí)，SNSPD也應(yīng)用在國(guó)內(nèi)光纖量子秘鑰分發(fā)過(guò)程中；總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的SNSPD研究相當(dāng)成熟并在應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面取得舉世矚目的成果。不過(guò)SNSPD也面臨很多挑戰(zhàn)，比如雖然在近紅外波段SNSPD已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高效探測(cè)，但是在諸如遠(yuǎn)紅外和X射線等波段是否也能實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)還沒(méi)有去探索；在面對(duì)自由空間的發(fā)展需求，SNSPD如何在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)更高速和大光敏面的響應(yīng)也是需要面對(duì)的難題；此外，SNSPD如何集成大陣列運(yùn)用在天文探測(cè)等實(shí)際用途中也是值得思考的問(wèn)題。

2)超導(dǎo)隧道結(jié)(STJ)單光子探測(cè)器。

超導(dǎo)隧道結(jié)(superconducting tunnel junction, STJ)是由2個(gè)足夠薄的超導(dǎo)層和1個(gè)足夠薄的絕緣層(≈1 nm)構(gòu)成，絕緣層位于2個(gè)超導(dǎo)層之間[62-63]?；赟TJ實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的原理如圖10所示：當(dāng)光子照射到第一個(gè)薄超導(dǎo)層時(shí)，被吸收的光子能量拆散該超導(dǎo)層中的庫(kù)伯對(duì)，形成準(zhǔn)粒子。如果事先在這個(gè)STJ上施加1個(gè)合適的偏置電壓(允許產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子通過(guò)隧道穿過(guò)該結(jié)，但不會(huì)導(dǎo)致庫(kù)伯對(duì)穿過(guò)該結(jié))，就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)與準(zhǔn)粒子成比例的跳變電流(庫(kù)珀對(duì)隧穿所對(duì)應(yīng)的超流)。由于產(chǎn)生準(zhǔn)粒子數(shù)目與入射的光子數(shù)成正比，所以也正比于可測(cè)量的電流大小，因而STJ也具有內(nèi)稟的光子數(shù)可分辨能力。

圖10 STJ原理和STJ顯微照片F(xiàn)ig.10 Schematic and micrograph of STJ

2015年，西南交通大學(xué)和南京大學(xué)課題組發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)探測(cè)約瑟夫森結(jié)跳變電流的變化檢測(cè)結(jié)兩端超導(dǎo)體所吸收輻射的功率[64]，對(duì)于常見(jiàn)的2種約瑟夫森結(jié)：Al/AlOx/Al結(jié)(Al結(jié))和Nb/AlOx/Nb結(jié)(Nb結(jié))，它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為T(mén)c≈1.2 K和6.8 K，實(shí)驗(yàn)(圖11所示)發(fā)現(xiàn)，在超低溫(T≈30 mK)環(huán)境下Al結(jié)比Nb結(jié)具有更高的靈敏度[64]，因?yàn)榍罢叩某瑢?dǎo)能隙更低。2021年，美國(guó)學(xué)者采用電子遷移率更高的材料來(lái)做絕緣層，顯著提高了此類(lèi)器件的探測(cè)靈敏度[65]。

圖11 超導(dǎo)隧穿結(jié)單光子探測(cè)[64]Fig.11 Single-photon detection of superconducting tunneling junctions[64]

實(shí)際上，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，STJ在我國(guó)的天文望遠(yuǎn)鏡中就開(kāi)始應(yīng)用并獲得了比較突出的成果。比如，南京紫金山天文臺(tái)研制了我國(guó)首臺(tái)毫米波波段基于STJ接收機(jī)的毫米波望遠(yuǎn)鏡，讓我國(guó)超導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡研究水平站上了新的臺(tái)階；另外，我國(guó)的POST亞毫米望遠(yuǎn)鏡也用到了STJ探測(cè)器，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)際上使用NbN基STJ用于天文探測(cè)的先河。然而，根據(jù)STJ的原理可知，STJ產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子數(shù)及其遂穿概率決定了STJ的性能，可STJ工作的極低溫環(huán)境一般在mK至幾K級(jí)別，這就導(dǎo)致了準(zhǔn)粒子數(shù)目不會(huì)很大，所以其并不是理想的光量子信息處理探測(cè)器。未來(lái)，STJ需要提高工作溫度，提高探測(cè)效率，同時(shí)在STJ具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的紅外到X射線波段，應(yīng)該優(yōu)化其性能讓其在天文學(xué)等領(lǐng)域繼續(xù)大放異彩。

3)微波動(dòng)態(tài)電感(MKID)單光子探測(cè)器。

圖12 微波動(dòng)態(tài)電感單光子探測(cè)器原理[59]Fig.12 Principle of microwave kinetic inductance detectors[59]

微波動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器(microwave kinetic inductance detector, MKID)，也稱(chēng)超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器，其工作原理如圖12所示：當(dāng)MKID吸收光子時(shí)，其超導(dǎo)諧振器(本征頻率處于微波波段)內(nèi)部的庫(kù)伯對(duì)會(huì)被打散形成準(zhǔn)粒子(一個(gè)光子的能量可以拆散數(shù)百對(duì)庫(kù)伯對(duì))，庫(kù)伯對(duì)和準(zhǔn)粒子的濃度均發(fā)生變化，從而引起諧振器動(dòng)態(tài)電感發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致諧振器的本征頻率發(fā)生變化；通過(guò)測(cè)量諧振器的傳輸參數(shù)來(lái)檢測(cè)諧振器參數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)。值得指出的是，如果諧振器本身不處于超導(dǎo)態(tài)而是通常的正常導(dǎo)體，其動(dòng)態(tài)電感很小可忽略不計(jì)，所以無(wú)法用于光子探測(cè)。

微波動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器是一款具有很高Q值(品質(zhì)因數(shù))、高光子數(shù)分辨能力、高能量分辨率、讀出線路簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的探測(cè)器。與其他超導(dǎo)單光子探測(cè)器相比，MKID具有SNSPD不具有的內(nèi)稟光子數(shù)分辨能力以及光子能量分辨能力[66]，且器件結(jié)構(gòu)和信號(hào)讀出線路簡(jiǎn)單。2013年，西南交通大學(xué)與南京大學(xué)合作制備了品質(zhì)因數(shù)超過(guò)106的四分之一波長(zhǎng)的鈮材料共面波導(dǎo)超導(dǎo)諧振器，并實(shí)現(xiàn)了6個(gè)諧振器的陣列集成復(fù)用測(cè)試[67]，圖13為相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2017年，基于IQ-Mixer測(cè)量技術(shù)，西南交通大學(xué)課題組和美國(guó)NIST團(tuán)隊(duì)利用TiN/Ti/TiN的高動(dòng)態(tài)電感光子響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了能量分辨率達(dá)0.22 eV、在1 550 nm波段可分辨7個(gè)光子的集總型MKID[68]，如圖14所示。進(jìn)而，通過(guò)頻率微調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單片99個(gè)MKID的陣列集成[69-70]。

圖13 西南交通大學(xué)等團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的高品質(zhì)因數(shù)諧振器測(cè)試結(jié)果[67]Fig.13 Measurement results of high-quality factor resonators achieved by the team of Southwest Jiaotong University and others[67]

顯然，MKID因其易于加工制備成大陣列的優(yōu)勢(shì)成為天文觀測(cè)研究領(lǐng)域的主要探測(cè)器候選者，不過(guò)MKID的一大挑戰(zhàn)是如何提高其探測(cè)效率。目前，在1 550 nm通信波段的探測(cè)中，MKID的探測(cè)效率普遍偏低，只有百分之幾，遠(yuǎn)低于TES和SNSPD接近100%的探測(cè)效率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)MKID光敏區(qū)和入射光子的精確對(duì)準(zhǔn)，尋找具有更高動(dòng)態(tài)電感比的光敏超導(dǎo)材料，以及發(fā)展超構(gòu)材料表面提高光子吸收率等，都是未來(lái)需要重點(diǎn)突破的問(wèn)題。

圖14 基于TiN高動(dòng)態(tài)電感光敏超導(dǎo)薄膜的MKID單光子探測(cè)器[68]Fig.14 MKID detectorwith high kinetic inductance TiN photosensitive superconducting thin film[68]

4)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣(TES)傳感器。

超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器(transition edge sensor, TES)[71-72]也稱(chēng)為超導(dǎo)薄膜探測(cè)器，主要由3部分組成：吸收器(absorber)、溫度計(jì)(thermometer)和熱池(thermal sink)。如圖15所示，其工作原理為：在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫區(qū)內(nèi)，一個(gè)能量大于超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)結(jié)合能(即超導(dǎo)能隙)的光子入射到工作于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣溫區(qū)的TES吸收器上，吸收器吸收光子的熱量后引起準(zhǔn)粒子顯著增加，從而急劇改變TES光敏吸收器薄膜的電阻，表現(xiàn)為整合讀出電路阻抗的急劇變化，導(dǎo)致電流突變，經(jīng)超導(dǎo)量子干涉儀(superconducting quantum-interference device, SQUID)放大后被后續(xù)電路識(shí)別讀取[71]。由于準(zhǔn)粒子產(chǎn)生的數(shù)目與吸收的光子數(shù)量成正比，所以TES具有內(nèi)稟的光子數(shù)分辨能力。

圖15 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器(TES)[73]Fig.15 Superconducting transition edge sensor (TES)[73]

TES探測(cè)器在國(guó)內(nèi)得到研究人員的重點(diǎn)關(guān)注[74]，比如：紫金山天文臺(tái)、上海微系統(tǒng)所、南京大學(xué)等研究已經(jīng)將其應(yīng)用于天文學(xué)與材料分析等領(lǐng)域中；清華大學(xué)主導(dǎo)解決“失蹤重子”問(wèn)題的項(xiàng)目中就計(jì)劃使用TES探測(cè)器；中國(guó)計(jì)量研究院也開(kāi)展了TES的研究工作以建立光學(xué)計(jì)量的量子基準(zhǔn)等。TES的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，比如具有很高的探測(cè)效率、很高能量的分辨率以及光子數(shù)分辨能力，并且可以實(shí)現(xiàn)從毫米波到伽瑪射線的寬光譜光子數(shù)可分辨光子探測(cè)。顯然，其缺點(diǎn)是，死時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)較高，特別是，信號(hào)的讀取依賴(lài)于SQUID的多級(jí)放大，因而讀取電路復(fù)雜。克服這一困難的一個(gè)可能有效的途徑是，利用MKID器件取代SQUID，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的靈敏讀取，其要點(diǎn)是利用TES信號(hào)的改變量影響MKID的透射散射參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的讀取。另一個(gè)發(fā)展方向是，通過(guò)改變器件的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更為狹窄的超導(dǎo)—正常態(tài)轉(zhuǎn)變溫區(qū)，從而提高光子響應(yīng)的靈敏度，克服響應(yīng)信號(hào)太弱需要多級(jí)放大的困難。

顯然，針對(duì)紅外波段光量子信息處理，綜合考慮紅外單光子探測(cè)器的性能、集成化、功耗以及成本等多方面因素，雖然半導(dǎo)體單光子探測(cè)器技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，但在探測(cè)效率、光譜響應(yīng)范圍和暗計(jì)數(shù)率等瓶頸難題仍有一定提升空間。比如，探索新的能隙更低的半導(dǎo)體材料作為光敏材料，基于一維和二維材料以及復(fù)合體系中的載流子動(dòng)力學(xué)的各種新物理效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備的優(yōu)化。相比之下，盡管紅外超導(dǎo)單光子探測(cè)器需工作于低溫環(huán)境而限制了其更多場(chǎng)景中的應(yīng)用，但是低溫環(huán)境同時(shí)又可以極大地降低器件的熱噪聲，尤其是超導(dǎo)材料對(duì)紅外波段高得多的紅外光子吸收效率，使得紅外超導(dǎo)單光子探測(cè)器在光量子信息處理技術(shù)領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[75]。所以，發(fā)展性能更為優(yōu)異的紅外超導(dǎo)單光子探測(cè)器仍然備受期待。

3 微波單光子態(tài)探測(cè)器

將單光子探測(cè)器擴(kuò)展到微波波段，也就是說(shuō)研制微波頻段的單光子探測(cè)面臨的挑戰(zhàn)更大。原因是，微波光子的能量很低(遠(yuǎn)低于自然界原子的能級(jí)間躍遷能量，所以不可能通過(guò)激發(fā)單個(gè)自然原子能級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)微波單光子探測(cè))。當(dāng)然，弱微波信號(hào)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、無(wú)線通信領(lǐng)域。理論上，通過(guò)外差技術(shù)，任意弱的微波信號(hào)都可以通過(guò)放大來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。不過(guò)，外差只能針對(duì)已知頻率的微波才能實(shí)現(xiàn)，而且外差放大微弱微波信號(hào)的同時(shí)，實(shí)際上也放大了信號(hào)的噪聲，所以需要大量的抑噪和降噪技術(shù)。因此，直接實(shí)現(xiàn)物理極限上的微弱微波信號(hào)探測(cè)，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖然理論上可以用單個(gè)微波光子來(lái)觸發(fā)一系列自然原子發(fā)生光學(xué)波段的輻射，從而實(shí)現(xiàn)微波光子的間接探測(cè)[76]，理論上的探測(cè)效率可達(dá)93%，但是，考慮到微波光子激發(fā)光學(xué)光子的輻射是一個(gè)典型的非線性過(guò)程，需要考慮激發(fā)效率限制問(wèn)題，所以實(shí)際上實(shí)現(xiàn)探測(cè)的效率不高。原則上，要實(shí)現(xiàn)微波單光子的直接探測(cè)，需要人造一些原子能級(jí)躍遷波段處于微波波段的自然界所沒(méi)有的“人工原子”(當(dāng)然，某些分子體系的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)處于微波波段，但這種等間距的振動(dòng)能級(jí)不能用來(lái)進(jìn)行微波單光子檢測(cè)，因?yàn)檫@些振動(dòng)能級(jí)的布居實(shí)際上很難在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行區(qū)分)。近年來(lái)，隨著超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)芯片研制的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，極低溫條件下基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電子電路(即超導(dǎo)量子比特)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和里德堡原子等這些典型的“人造原子”，其能級(jí)躍遷就在微波頻段，因此通過(guò)人造原子的能級(jí)布居變化，就可以實(shí)現(xiàn)微波單光子的探測(cè)。

實(shí)際上，早在20世紀(jì)80年代，Haroche等[77]就展示了利用飛行里德堡原子實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)于微波腔中的駐波單光子的探測(cè)。在腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，為探測(cè)圖16所示超導(dǎo)腔中的駐波光子，首先利用人工激發(fā)自然原子處于里德堡態(tài)(即里德堡原子，其躍遷頻率匹配超導(dǎo)腔中的駐波光子頻率)，然后讓里德堡原子通過(guò)微波腔，利用駐波光子對(duì)里德堡原子態(tài)的操縱，發(fā)生里德堡原子態(tài)的相干布居轉(zhuǎn)移，因而通過(guò)測(cè)量進(jìn)、出腔里德堡原子態(tài)的前后改變(即著名的Ramsey干涉)，就可以探知腔中是否存在微波光子的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)微波腔鐘中駐波光子的QND測(cè)量。(這種“用原子操縱光子”的杰出研究與美國(guó)NIST團(tuán)隊(duì)后來(lái)“用光子操縱原子”的工作一起分享了2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。為了克服飛行里德堡原子與駐波微波光子相互作用時(shí)間過(guò)短、效應(yīng)不夠顯著的困難，近年來(lái)利用超導(dǎo)電路人工原子代替里德堡原子實(shí)現(xiàn)微波單光子探測(cè)的研究，引起了學(xué)術(shù)界極大的關(guān)注。利用現(xiàn)在稱(chēng)為電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中片上集成的超導(dǎo)人工原子(不再是難以制備的里德堡原子)，可以實(shí)現(xiàn)與超導(dǎo)傳輸線腔中的微波光子強(qiáng)耦合，導(dǎo)致可觀測(cè)的超導(dǎo)人工原子能級(jí)的劈裂，從而實(shí)現(xiàn)傳輸線腔中微波光子的探測(cè)。圖17(a)[78]為整個(gè)傳輸線腔微波光子探測(cè)原理圖，這里傳輸線諧振器用一個(gè)LC回路表示，它與由2個(gè)約瑟夫森結(jié)組成的超導(dǎo)二能級(jí)原子(Qubit)通過(guò)一個(gè)電容耦合，通過(guò)外加微波驅(qū)動(dòng)測(cè)量超導(dǎo)兩能級(jí)原子因與腔中微波光子耦合而造成的能級(jí)分裂微波驅(qū)動(dòng)測(cè)量超導(dǎo)兩能級(jí)原子因與腔中微波光子耦合而造成的能級(jí)分裂，就可以實(shí)現(xiàn)腔中微波光子的探測(cè)；圖17(b)[79]是整個(gè)片上集成微波單光子探測(cè)器的顯微照片。尤其是，由美國(guó)耶魯大學(xué)小組所完成的這項(xiàng)工作，還能標(biāo)定傳輸線腔中駐波微波光子的光子數(shù)分布特性。如果微波光子是相干的，則探測(cè)到圖18相干光的光子數(shù)泊松分布特性；反之，如果駐波微波光子是處于非相干的熱場(chǎng)態(tài)，那么光子數(shù)的分布就如圖18中的熱場(chǎng)光分布特性一致。

圖16 利用飛行里德堡原子實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)于微波腔中的駐波單光子的探測(cè)[77]Fig.16 Detection of single photons stored in a microwave cavity using flying Rydberg atoms[77]

圖17 微波單光子探測(cè)電路[78]及片上集成微波單光子探測(cè)器(顯微照片)[79]Fig.17 Microwave single photon detection circuit[78] and on-chip microwave photon detector[79]

圖18 腔中駐波微波光子的光子數(shù)分布特性測(cè)量[79]Fig.18 Photon number distributions of standing wave microwave photons in cavity[79]

在微波通信和傳感實(shí)際應(yīng)用中，相對(duì)于駐波光子的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)行波微波單光子的探測(cè)更為重要。2011年，美國(guó)威斯康星團(tuán)隊(duì)首先基于電流偏置超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)電路的電壓信號(hào)跳變，實(shí)現(xiàn)了行波微波單光子的探測(cè)[80]，如圖19所示。其具體做法是，將約瑟夫森結(jié)偏置一個(gè)與其臨界電流非常接近的直流源，使結(jié)成為對(duì)外部信號(hào)感應(yīng)非常靈敏的人工原子基態(tài)(如圖19(b)中的零電壓態(tài)|0〉)；當(dāng)一個(gè)頻率與2個(gè)人工原子電壓態(tài)|0〉和|0〉之間的躍遷頻率基本相同時(shí)，人工原子吸收該微波光子，從|0〉態(tài)躍遷到|1〉；但所激發(fā)的零電壓態(tài)|0〉很容易通過(guò)量子隧穿而越過(guò)勢(shì)壘，成為電壓不為零的非超導(dǎo)態(tài)；所以，通過(guò)檢測(cè)結(jié)兩端的電壓信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)行波微波單光子的探測(cè)。為了檢驗(yàn)所探測(cè)的確實(shí)是微波單光子，該工作還實(shí)現(xiàn)了片上集成的微波單光子HBT實(shí)驗(yàn)：通過(guò)驗(yàn)證該單光子信號(hào)的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)是否遠(yuǎn)小于1，就可以驗(yàn)證所探測(cè)的是否就是行波微波單光子信號(hào)。在這一探測(cè)方案中，入射的微波光子實(shí)際上是很多的，但只有一個(gè)能備用于激發(fā)超導(dǎo)人工原子，因此該方案所實(shí)現(xiàn)的行波微波單光子的探測(cè)效率很低(大約只有40%左右)。為了克服微波單光子信號(hào)注入人工原子時(shí)，由于阻抗失配問(wèn)題導(dǎo)致的能量損失(因而影響該微波單光子探測(cè)的系統(tǒng)效率)，日本東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)展阻抗匹配技術(shù)，極大地降低了微波光子注入人工原子的損失，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)效率高達(dá)66%的行波單光子探測(cè)，如圖20所示。這里阻抗匹配的原理是利用一個(gè)駐波腔來(lái)調(diào)節(jié)超導(dǎo)原子的狀態(tài)(穿上一件“外衣”)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)原子與入射微波單光子的阻抗匹配，極大地提高了行波光子與探測(cè)原子的耦合強(qiáng)度，由此顯著提高行波微波光子的探測(cè)效率[81]。

圖19 行波微波單光子的探測(cè)[80]Fig.19 Traveling wave microwave single photon detection[80]

原則上，利用多個(gè)微波單光子探測(cè)器，依次排列，可以實(shí)現(xiàn)行波微波單光子100%的探測(cè)[82]。如圖21所示，其基本原理是：如果沿中心波導(dǎo)傳播的行波光子沒(méi)有被前一個(gè)單光子探測(cè)器所探測(cè)，則由后面的探測(cè)器探測(cè)，所以當(dāng)級(jí)聯(lián)20個(gè)單光子探測(cè)器后，該行波微波單光子被探測(cè)到的概率就接近100%了。

顯然，相比于光學(xué)波段，微波波段的單光子探測(cè)，實(shí)現(xiàn)的難度要大很多[83]，根本原因在于微波單光子能量太低，不足以激發(fā)自然界原子，因而需要首先人造能級(jí)躍遷頻率在微波波段的“人工原子”，這對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。幸好，最近幾年發(fā)展起來(lái)的量子調(diào)控技術(shù)，為制造這種“人造原子”提供了現(xiàn)實(shí)可能。鑒于微波波段的光子能量遠(yuǎn)小于室溫環(huán)境下的熱激發(fā)光子能量，為了抑制熱噪聲的影響，微波單光子探測(cè)器一般還是需要工作于毫開(kāi)級(jí)的極低溫環(huán)境中，這又是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。鑒于微波波段的通信和傳感技術(shù)的巨大應(yīng)用市場(chǎng)，研發(fā)微波單光子探測(cè)器被認(rèn)為是發(fā)展實(shí)用性量子技術(shù)的必由之路，可以預(yù)計(jì)這個(gè)研究領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越活躍。

圖20 阻抗匹配技術(shù)提高波微波單光子的探測(cè)效率[81]Fig.20 Impedance-transformed traveling-wave microwave single-photon detector[81]

圖21 行波微波單光子探測(cè)器陣列[82]Fig.21 Array of traveling wave microwave single photon detectors[82]

4 結(jié)論與展望

電磁信號(hào)的探測(cè)和接收一直以來(lái)都是科學(xué)研究和電子信息技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的核心問(wèn)題之一。雖然以光電倍增管和半導(dǎo)體雪崩二極管為代表的傳統(tǒng)單光子探測(cè)器已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但它們?cè)谔綔y(cè)靈敏度、波段、探測(cè)效率和計(jì)數(shù)率等主要性能指標(biāo)方面，都不能滿足近年來(lái)飛速發(fā)展的量子信息技術(shù)研發(fā)的需求。尤其是，在量子保密通信、量子隱形傳態(tài)、光量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)及量子干涉精密測(cè)量和傳感領(lǐng)域，信息是編碼在光纖低損耗的紅外1 550 nm光通信波段的單光子態(tài)上，所以信息的獲取必須使用該波段上的單光子態(tài)探測(cè)器，其探測(cè)靈敏度不但需要達(dá)到單光子能量水平，可以區(qū)分光子的“有”和“無(wú)”，還需解決“如果有的話，有多少個(gè)”的問(wèn)題。面向這種需求的解決方案目前看來(lái)主要有2個(gè)：

1)通過(guò)頻率上轉(zhuǎn)換將紅外光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光進(jìn)行探測(cè)。

在目前光量子信息處理的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)中，量子信息可以編碼于可見(jiàn)光波段的光子態(tài)上，所以傳統(tǒng)的光電探測(cè)器，如光電倍增管和半導(dǎo)體單光子探測(cè)器等，因其成本低、操作簡(jiǎn)便而得到大量使用。針對(duì)光通信波段的實(shí)用性光量子信息處理的需求，解決該波段單光子探測(cè)問(wèn)題是一種自然選擇的方法。該方法先通過(guò)一個(gè)非線性光學(xué)過(guò)程將光通信波段的光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光光子(即進(jìn)行光子的頻率上轉(zhuǎn)換)，然后利用傳統(tǒng)光電倍增管和半導(dǎo)體單光子探測(cè)器在可見(jiàn)光波段單光子探測(cè)的成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)。所以，這種方法的顯著優(yōu)點(diǎn)是克服了超導(dǎo)單光子探測(cè)器低溫工作環(huán)境的苛刻要求，但可能的問(wèn)題是，在頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中紅外單光子態(tài)信息不可避免地受到破壞，而且也受轉(zhuǎn)換效率的限制。

2)研發(fā)直接工作于光通信波段的光子數(shù)可分辨的超導(dǎo)單光子探測(cè)器。

超導(dǎo)能隙比半導(dǎo)體能隙低3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此使用超導(dǎo)薄膜作為光敏材料的超導(dǎo)納米線、超導(dǎo)隧穿結(jié)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感等為代表的超導(dǎo)單光子探測(cè)器，就成為光通信波段量子信息處理技術(shù)研發(fā)中首選高探測(cè)效率單光子探測(cè)器。尤其是，探測(cè)效率高達(dá)90%以上的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器已經(jīng)逐步取代了半導(dǎo)體單光子探測(cè)器，成為光量子信息處理(如量子密鑰分發(fā)、量子通信網(wǎng)絡(luò)及線性光學(xué)量子計(jì)算等)的研發(fā)領(lǐng)域中不可缺少的量子信息獲取利器。不過(guò)，美中不足的是，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器并不具有內(nèi)稟的光子數(shù)分辨能力，而理想的量子信息處理技術(shù)是基于單光子態(tài)編碼的，不具備光子數(shù)分辨就意味著不能實(shí)現(xiàn)單光子態(tài)的理想探測(cè)，所以研發(fā)具備內(nèi)稟光子數(shù)分辨能力的超導(dǎo)單光子探測(cè)器就成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。與之相比，雖然超導(dǎo)隧穿結(jié)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感等超導(dǎo)單光子探測(cè)器具有內(nèi)稟光子數(shù)分辨能力，但在其他性能指標(biāo)，比如探測(cè)效率、或者在計(jì)數(shù)率等方面都還存在明顯不足，需要得到顯著提高。所以，要實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)越的光通信波段上量子信息處理，在研發(fā)綜合性能更加優(yōu)越的紅外單光子探測(cè)器方面，仍需要做很多基礎(chǔ)型的技術(shù)研究工作。

另一方面，研發(fā)中的量子信息處理技術(shù)需要與現(xiàn)有信息技術(shù)兼容才能推廣應(yīng)用。除光通信技術(shù)中的光纖應(yīng)用解決了信息傳輸過(guò)程中的損耗外，大量的信息技術(shù)是基于光電轉(zhuǎn)換的微波信號(hào)產(chǎn)生和檢測(cè)，所以，與光通信波段量子信息技術(shù)研發(fā)一樣，微波波段的量子信息技術(shù)的研發(fā)將是量子信息處理領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。然而，相比而言，實(shí)現(xiàn)微波單光子探測(cè)則困難得多。原因是，微波光子的能量太低而不足以導(dǎo)致光電效應(yīng)，不能通過(guò)基于外光電效應(yīng)的光電倍增管和內(nèi)光電效應(yīng)的半導(dǎo)體光電探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)微波單光子探測(cè)。所以，近年來(lái)人們將目光聚焦于開(kāi)發(fā)各種能級(jí)躍遷波段處于微波波段的“人造原子”，比如半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面中的量子點(diǎn)和超導(dǎo)量子電路等。這些單個(gè)“人造原子”不但可以作為微波單光子源(將電能轉(zhuǎn)化為微波單光子輻射)，還可以作為一種微波單光子探測(cè)器(將單個(gè)微波光子的能量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào))。借助于近年飛速發(fā)展的集成電路技術(shù)，這種電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究極大推動(dòng)了片上集成微波波段量子信息處理技術(shù)，如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、與經(jīng)典微波技術(shù)兼容的微波量子雷達(dá)技術(shù)和微波量子信息技術(shù)等方面的研究。當(dāng)然，本文所介紹的微波單光子探測(cè)技術(shù)只是電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)這一領(lǐng)域中大量研究工作中一個(gè)很小的分支，基于這一人造量子系統(tǒng)的各種前沿技術(shù)(不僅僅是微波單光子探測(cè))研究正在快速推進(jìn)中。

最后需要說(shuō)明的是，本文只是結(jié)合本團(tuán)隊(duì)的部分研究工作，總結(jié)了光學(xué)波段和微波波段上實(shí)現(xiàn)物理極限下微弱電磁信號(hào)探測(cè)的各種相關(guān)技術(shù)研究的進(jìn)展。限于篇幅，不涉及X射線、γ射線等更高頻段的單光子探測(cè)問(wèn)題，盡管它們對(duì)核物理和高能物理粒子物理中一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)非常重要。