利用高品质因数超导共面波导微波谐振器实现通讯波段的单光子探测

Due to the extremely low dark count rate, high count rate and broadband response, superconducting single photon detectors have important potential applications in optical quantum information processing and (sub)millimeter astronomy. Compared to other superconducting single photon detectors (SNSPD, STJ and TES), photon detectors based on supercounducting coplanar waveguide (CPW) microwave resonators are easier to be fabricated, read out and multiplexed into large arrays. In this program, with the high quality factor (high-Q) superconducting CPW resonators made by ourselves and its sensitive response of kinetic inductance to the input energy at ultra-low temperature (around 10 mK), we aim to achieve single photon detections at telecommunication wavelength (1550 nm). Specifically, we will study the microwave transmission characteristics of various high-Q superconducting CPW resonators; We will set up a low-noise microwave measurement system and analyze the main sources of noise via measuring the output noise power spectra; By improving the fiber-device coupling efficiency and optimizing relevant device and measurement parameters, single photon detections with high energy resolution at telecommunication wavelength will be explored.

超导单光子探测器因其极低的暗计数率, 较高的计数率和很宽的响应波段等优点, 在光量子信息处理和(亚)毫米波段天文学中有着重要的应用前景. 与其它几种超导单光子探测器(SNSPD, STJ及TES)相比, 超导共面波导(CPW)微波谐振器单光子探测器具有制备和读取简单且容易实现大阵列探测等突出优点. 本项目将利用我们自行研制的高品质因数超导CPW谐振器的动态电感在极低温下(约10 mK)对输入能量的灵敏响应, 来实现对通讯波段(1550 nm)单光子的探测. 具体地, 我们将研究低温下各种高品质因数超导CPW谐振器的微波传输特性; 搭建一套低噪声微波信号测量系统, 通过研究微波信号的噪声功率谱来分析系统的主要噪声来源; 通过提高光纤和器件耦合效率, 优化器件参数和测量参数, 探索在通讯波段实现高能量分辨率单光子探测的有效途径.

超导单光子探测器具有极低的暗计数率, 很高的计数率和灵敏度, 以及很宽的响应波段等优点, 近年来得到了极大关注. 尤其是具备光子数分辨和能量分辨能力的探测器, 可同时提供时域, 空间及光谱上的信息, 在通讯波段的光量子信息处理和可见光到亚毫米波段天文观测中有着重要的应用前景. 与其它两种超导单光子探测器(SNSPDs & TESs)相比, 超导谐振器结构的动态电感探测器(MKIDs)具有制备, 读取简单且容易实现大阵列探测等优势. 本项目的主要目的就是利用MKIDs实现1550 nm光子的光子数分辨, 近3年取得的主要成果如下:.(1). 我们利用氮化钛(TiN)动态电感探测器, 成功实现了7个光子数的分辨, 能量分辨率达到了0.22 eV, 是目前报导的MKIDs应用于1550 nm 光子分辨实验的最佳水平. 我们研究了探测器性能与光吸收区体积的关系, 发现响应度与体积成反比, 导致体积越小, 能量和光子数分辨力越强, 尽管噪声也会增大. 未来在优化器件设计和改进光-器件的耦合效率后, 会进一步提高探测器性能, 并争取应用于量子保密通信, 线性量子计算和光量子计量等前沿领域中..(2). 我们利用TiN MKIDs, 在THz波段(250 μm)实现了光子噪声极限的灵敏度, 该探测器阵列可应用于亚毫米波段天文学仪器和光度测定中. 我们还发明了一种低温下分辨阵列像素和对应谐振峰的方法..(3). 我们研究了各种谐振器(Al/Nb/TiN)的传输曲线随外界参量(温度, 微波功率及光辐射功率)的变化, 提出了一种在线性区和非线性区都适用的传输参数拟合方法..(4). 通过对微加工超净间的建设, 我们掌握了超导Al/Nb谐振器的制备技术, 自行制备出了高品质因数的超导谐振器(Qi ~ 300 k), 搭建了一套低温低噪声的微波信号测量系统, 初步实现了器件设计, 制备, 测试的”一条龙”实验流程..至本报告提交日为止, 已发表相关SCI论文5篇, 还有3篇已经投稿, 正在申请国家发明专利4项; 本项目参与培养博士研究生3名, 硕士研究生4名; 以本项目研究内容为主, 项目负责人参加国内会议1次(大会主题报告), 参加国际会议3次(1次大会口头报告, 1次邀请报告).