超大量子传感器使得微弱的光子更容易被捕捉

我们的日常生活充斥着光子，光子是光的量子构建模块。对于前沿技术，从量子计算到深层组织成像，每一个光子的探测都至关重要。

“光子携带信息，”美国国家标准与技术研究院博士后研究员克里斯汀·帕尔祖乔斯基说。“每当有光子进入你的测量系统时，你就必须能够探测到它。”

光子可以在量子网络中传输数据，或通过深空通信链路传输。捕捉和分析光子使科学家能够构建生物医学图像，并在宇宙中寻找暗物质。

超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）是捕捉光子的最佳方式，适用于所有这些应用。顾名思义，它们利用超导现象，即电流无阻力流动，来探测单个光子。单粒光在电流中产生微小的飞溅，破坏超导性并触发可测量的电信号。多年来，NIST大幅改进了这些设备，现在它们能探测到98%的光子。

不过，SNSPD仍然存在一些缺点。它们通常需要高度专业的纳米级制造技术。最重要的是，超导探测器的边缘限制了探测器的性能。能够承载更大电流的探测器性能更好，但制造缺陷限制了最大流量。

当细线达到极限时

NIST的研究人员决定思考更宏大的。在一篇新的Optica论文中，NIST研究人员发现，他们可以将超导导线的尺寸扩大到十分之一毫米——比典型SNSPD宽100多倍——从而简化了光子探测器的设计和制造过程，采用了释放材料真实性能潜力的方法。

帕尔祖霍夫斯基说：“通常，大家都在努力制造越来越小的钢丝，这使得制造变得越来越困难。”

SNSPD通常使用宽100纳米的超导材料导线，连接到读出电路。电流像流经河流一样流经导线。当光子撞击导线时，就像石头撞击河流一样，会产生热点，扰乱电流。该热点产生电压脉冲，读出电子设备接收到。

NIST博士后研究员Eli Mueller指出，科学家们认为SNSPD中的超导导线需要达到纳米尺度，以最大化光子在导线上的微小“溅射”效果。

“你的光子能量需要在整根导线宽度上破坏超导，”他说。“在光子能破解超导超过100微米的环境中，设备非常困难，因此器件宽度必须达到数百纳米级。”

由于纳米尺度的尺寸，SNSPD必须在较低电流下工作，这意味着低能量光子不会产生那么大的飞溅，也更难被探测。读数是较微弱的点。电流的表现也不完美：电流在导线上流动不均匀。Parzuchowski补充说，缺陷还可能导致电流沿边缘积聚，如河流上的漩涡或涡流，从而产生称为暗计数的假信号。

“如果我们能让设备中间流出比之前更多的电流，那么我们就能在任意宽的导线上生成一个热点。而正是这个热点让你脉搏清晰，“穆勒解释道。“如果你在超导态和正常态之间的转变附近工作，那么你仍然对极低能光子敏感。”

我们该如何解决这个问题？给它加轨。

这些超导轨道与中央导线相邻，电流方向相同，产生磁场。轨道的磁场与中央导线的磁场相遇;它们共同重新分配电流流动——边缘不再积聚电流。

使电流流向均匀使团队最大化超导导线所能承载的电流，从而使导线尺寸得以放大。宽SNSPD对极化无感;无论光子电场“摆动”的方向如何，探测器都能捕捉到它。现在每个光子都会溅出更明显的水花，团队更容易辨认。

“多年来，研究人员一直试图接近这些探测器的最佳性能，但从未明确能将性能推到多远。现在我们已经证明，你实际上可以达到内在性能极限，“帕尔祖乔夫斯基补充道。

该组织将线路放大到十分之一毫米，甚至可能更宽，电子工程师马蒂·史蒂文斯（Marty Stevens）补充道。

目前尚不清楚宽广的SNSPD是否能达到与其纳米级亲缘虫相同的98%效率;史蒂文斯说，还需要更多检测。然而，团队在这些设备上创下了新纪录——暗黑计数下降了十亿倍。

“这非常震惊，”帕尔祖霍夫斯基回忆道。“我们叫来了小组里的其他人，告诉他们，'看这个，这太疯狂了！'”

微弱光的更大探测器

这种新架构制造更简单，使得超大型探测器制造更为便捷。其尺寸和灵敏度使探测器能够捕捉到更多的光子，这在光源极其微弱且控制较差的情况下尤为理想。

这对医疗成像技术非常有用，比如漫反射相关光谱，通过光束穿过人体组织，收集散射光以测量血流。另一个应用是天文学，探测微弱的低能光对于研究遥远星系的特征至关重要。

“有很多应用是用一把把光子来做的。理想情况下，你需要检测到所有这些，“帕尔祖霍夫斯基说。

出版信息

Kristen M. Parzuchowski 等，《达到超导纳米线单光子探测器内在性能极限，宽度达0.1毫米》，Optica（2026）。DOI：10.1364/optica.599984

期刊信息：Optica 

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