把“命門”掌握在自己手中

作為國際戰(zhàn)略新興技術(shù)，量子信息領(lǐng)域面臨著激烈的國際競爭，其核心元器件技術(shù)受到國際禁運的影響。高性能單光子探測器是量子調(diào)控中不可或缺的關(guān)鍵核心部件，也曾在國際禁運之列。

“光子是光的最小單元，一個10瓦的燈泡1秒鐘可以發(fā)出約1020個光子。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(以下簡稱上海微系統(tǒng)所)研究員尤立星博士向科技日報記者介紹，單光子探測技術(shù)就是探測一個光子的技術(shù)，代表光信號探測能力的極限。

單光子探測器對量子信息領(lǐng)域到底有多重要?尤立星打了一個比方：假設(shè)一顆水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開水嘩嘩嘩流出來，而量子調(diào)控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來，單光子探測器相當(dāng)于探測到滴下來的每一顆水滴。“我們就要把探測到的單個光子轉(zhuǎn)化為電信號，當(dāng)前的探測水平是，如果發(fā)射100個光子，我們可以探測到90個。”

SNSPD特種兵與量子信息國家隊的配合戰(zhàn)

尤立星于2007年回國，在上海微系統(tǒng)所開展低溫超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)技術(shù)的研發(fā)。該技術(shù)利用超導(dǎo)納米材料對光敏感的特性，來實現(xiàn)對單個光子的探測。

單光子探測器的研發(fā)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從材料生產(chǎn)、加工到系統(tǒng)集成必須從零開始探索。在還沒有自主掌握SNSPD核心技術(shù)之前，我國進行量子通信試驗所使用的單光子探測器，效率只有20%，且噪聲極大，與國際最高水平相差甚遠。缺乏高性能單光子探測器已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國量子信息領(lǐng)域科學(xué)家與國外同行的競爭。

尤立星表示，我國單光子探測器的起步和發(fā)展是從用戶需求中探尋出科研方向，第一步就是要實現(xiàn)器件的實用性和可靠性。

在與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國家實驗室潘建偉院士團隊的合作中，尤立星團隊通過研發(fā)新型電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，并將其應(yīng)用環(huán)境從實驗室環(huán)境，做到適應(yīng)于實際現(xiàn)場環(huán)境。2012年，我國自主研發(fā)的SNSPD第一次成功應(yīng)用到城際量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中。潘建偉在用戶報告提到：“與國外同類型單光子探測器相比，上海微系統(tǒng)所研制的SNSPD系統(tǒng)基于機械制冷技術(shù)實現(xiàn)了即插即用，既大大提升了用戶友好性能，又顯著降低了應(yīng)用成本，具有很好的推廣價值。”

關(guān)鍵技術(shù)突破推動我國SNSPD科研邁向產(chǎn)業(yè)化

就在我國SNSPD從無到有，實現(xiàn)國內(nèi)自主可控的同時，國際上單光子探測器技術(shù)水平也有了突飛猛進的發(fā)展。我國量子信息領(lǐng)域的快速發(fā)展也對SNSPD探測效率提出了更高需求。

尤立星介紹，2013年，美國采用硅化鎢(WSi)材料研發(fā)的SNSPD探測效率最高可達93%，而我國當(dāng)時采用氮化鈮(NbN)材料制備的SNSPD探測效率只有4%。“WSi材料制備的器件需要比NbN更低的工作溫度，因此低溫制冷裝備的成本也要成倍地增加。”尤立星團隊堅持在利用NbN材料開展SNSPD研發(fā)的方向上繼續(xù)前進。經(jīng)過4年左右的鉆研，2016年，團隊終于在國際上率先實現(xiàn)NbN SNSPD器件在光纖通信1550納米波長的探測效率超過90%，并持續(xù)保持NbN SNSPD器件效率世界紀(jì)錄。

“背景暗計數(shù)抑制是降低探測系統(tǒng)噪聲的關(guān)鍵。”尤立星講到，所謂暗計數(shù)就是噪聲，噪聲越低，系統(tǒng)信噪比就越高。當(dāng)時國外也有一些降低噪聲的方法，但是這些方法同時也減弱了信號。“就像化療在殺死癌細胞的同時也殺死了健康細胞。”團隊對噪聲的起源進行研究后發(fā)現(xiàn)，與芯片相連光纖的黑體輻射是背景噪聲的主要來源。在此基礎(chǔ)上，他們研發(fā)出片上集成低溫濾波器和光纖端面低溫濾波器兩種暗計數(shù)抑制關(guān)鍵技術(shù)。

“新方法極大降低了殺死正常細胞的概率，專殺‘癌細胞’，是一種靶向治療。”尤立星這樣比喻。據(jù)悉，采用該方法的超低暗計數(shù)SNSPD系統(tǒng)探測效率可以在暗計數(shù)1赫茲條件下達到80%，居國際領(lǐng)先水平。目前該技術(shù)已獲得了中、美、日三國專利授權(quán)。

在我國高性能SNSPD器件技術(shù)不斷前進的過程中，潘建偉團隊先后創(chuàng)造了404公里可抵御黑客攻擊的光纖量子密鑰分發(fā)、量子隨機數(shù)發(fā)生器等多項國際領(lǐng)先的成果，量子密鑰分發(fā)成果還入選“兩院院士評選2014年中國十大科技進展新聞”。2015年，潘建偉再次提供用戶證明：“上海微系統(tǒng)所研發(fā)的SNSPD系統(tǒng)徹底解決了我國高性能SNSPD技術(shù)的有無問題，性能指標(biāo)達到了國際先進水平，為我國量子信息領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。”

SNSPD在效率等性能上的絕對優(yōu)勢能夠推動其在量子通信、光量子計算、激光雷達、深空通信等多個領(lǐng)域拓展應(yīng)用。在中科院新時期“面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場”的辦院方針以及國家“雙創(chuàng)”政策鼓勵下，上海微系統(tǒng)所孵化成立了小型高科技公司，開展SNSPD技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化運作。尤立星表示，目的是要解決國家的應(yīng)用需求，通過市場化方式實現(xiàn)高科技的自我生存和技術(shù)迭代，在科研與產(chǎn)業(yè)之間搭建一座橋梁。