中國科學院上海微系統所超導電子實驗室尤立星、李浩、張孝富團隊通過超薄超導薄膜材料優化、自主微型低溫杜瓦研制，成功實現了基于商用無人機平臺的高探測效率超導單光子探測系統。該研究成果于2月13日以“Drone-based superconducting nanowire single-photon detection system with a detection efficiency of more than 90%” 發布在學術期刊《Advanced Photonics Nexus》上。
超導單光子探測器（SSPD）因其高效率、低暗計數率和優異的時間分辨率，成為量子信息領域的使能技術。上海微系統所在中國科學院戰略先導專項、科技部重點研發計劃等項目支持下，研制的SSPD器件和系統性能均達到了國際先進水平，并實現產業化。國產SSPD系統已經在我國量子通信和光學量子計算及傳感等方面得到了廣泛的應用，有效避免了該領域核心探測器的“卡脖子”問題。
由于SSPD通常采用低溫超導材料Nb(Ti)N等研制，其性能隨著工作溫度降低而逐漸提升。因此，主流的SSPD系統采用小型機械制冷機，典型工作溫度在2K左右。這類SSPD系統尺寸、功耗和體積較大，主要適合于九章光量子計算原型機、光纖量子通信等地面應用。然而，機載量子信息應用需求不僅需要高的探測性能指標，還需要系統的體積、功耗和尺寸都足夠小，并具備快速部署的能力，但是不需要連續長時間工作，傳統基于GM制冷機的SSPD系統已無法滿足機載應用需求。如果SSPD的工作溫度能夠提升至4.2K，結合液氦杜瓦，可以實現SSPD系統體積、尺寸和功耗的大幅減小，有望實現機載應用。
上海微系統所張孝富、馬若巖等通過對NbTiN薄膜材料進行組分優化，提高薄膜均勻性和臨界溫度，使得SSPD在4.2K實現了近飽和的本征探測效率，并結合上海微系統所發展的成熟SSPD制備工藝技術，實現探測效率達到90%。與賦同量子合作，自行研制了小型液氦杜瓦和外圍電路，并在世界上首次實現可機載SSPD系統。無人機飛行實驗實測探測效率達到90%。該實驗的成功為未來機載量子信息（激光雷達、量子通信等）發展奠定了堅實基礎。
SSPD器件在不同工作溫度下的效率~工作電流特性曲線
無人機載的SSPD系統實測性能
中國科學院上海微系統所為該論文的第一完成單位和通訊單位，馬若巖博士為該論文的第一作者，通訊作者為張孝富與尤立星研究員。該研究受到科技創新2030—“量子通信與量子計算機” 重大項目與國家自然科學基金等項目資助。
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https://doi.org/10.1117/1.APN.4.2.026003
