超导纳米线单光子探测技术研究

超导纳米线单光子探测（SNSPD）技术是基于超导宏观量子态- - 库珀对和光子的相互作用实现的一种单光子探测技术。在近红外波段，相对于传统的半导体单光子探测技术,其具有计数率高、暗计数低、响应频带宽等优势。该技术已成为目前量子通信等前沿研究接受的高性能单光子探测技术之一，同时也成为超导电子学研究的一个热点领域。我国量子通信等领域对发展自主的SNSPD技术提出了迫切的需求。本项目将开展超薄超导NbN薄膜生长、SNSPD器件结构设计与制备工艺、高效光耦合技术、系统集成和暗计数起源等研究。通过这些研究掌握高性能NbN超薄薄膜材料生长机制、SNSPD器件制备关键工艺技术；理解SNSPD单光子探测机理和暗计数起源；研制量子通信用4通道SNSPD系统原型样机，并应用于量子通信系统实现原理演示。提升我国在单光子探测领域应用基础研究水平，解决我国在量子通信这个国家重大需求中的关键技术问题- - 单光子探测技术。

在本项目经费支持下，已圆满完成项目预订的各项研究内容，达到了项目的预期指标。目前我们的超导单光子探测器件研究水平已进入国际先进水平行列，并有效的推动了我国量子信息领域的科技进步。主要取得的成果如下：（1）掌握了SNSPD器件超薄薄膜材料生长、器件设计和制备工艺，实现了全自主高性能SNSPD器件研制。在1550nm工作波长，100Hz暗计数条件下，最高探测效率超过80%，已达到基于NbN的SNSPD器件的世界最好水平。（2）通过实验发现光纤黑体辐射对SNSPD本底暗计数的决定性影响，通过在SNSPD器件集成窄带光学滤波器，降低本底暗计数。实现了暗计数小于1Hz，探测效率超过50%的SNSPD器件。系统噪声等效功率NEP达到 210-19 W/Hz1/2，已达到世界最好水平。（3）仔细分析SNSPD抖动与工作温度、偏置电流等工作条件的关系，发现并证明了信噪比对SNSPD抖动的重要影响。通过研制高临界电流SNSPD器件，提高器件信噪比，减小系统的时间抖动，最终获得了最低系统时间抖动达到18ps，并计算获得器件本征时间抖动约15 ps。（4）通过的SNSPD器件TEM分析发现实际研制的器件的光学腔体结构呈现弧形，这弧状结构是由于纳米线制备过程中过刻蚀衬底导致的。我们通过光学计算确认这种弧形光学腔体结构会导致光学腔体的中心波长发生少许偏移，但是不影响SNSPD的光吸收效率。（5）纳米线条的均匀性对SNSPD的性能具有重要的影响。我们采取了在单根纳米线上制备人造缺陷的方式来研究缺陷对暗计数的影响。结果表明，暗计数和归一化偏置电流呈指数线性关系，能够用磁通-反磁通对（VAP）模型很好的拟合。且暗计数有最大缺陷的导致的暗计数确定，和缺陷的多少无关。（6）利用自主研制SNSPD器件实现4通道SNSPD系统。和中科大合作，多次应用于量子通信现场网络完成量子密钥分发实验演示，包括安徽百公里级城际量子通信网络、北京短距离高速量子通信网络等。2014年双方合作开展测量器件无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验，利用我们研发的高性能SNSPD系统，将MDI-QKD的成码率提高了三个数量级，从而在国际上首次实现了实验室200公里级和现场30公里的MDI-QKD。相关结果已在《物理评论快报》等刊物正式发表，并被选为EDITORS’ SUGGESTION。相关工作共发表SCI论文16篇。