《实用化高性能超导纳米线单光子探测技术》

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该项目隶属光量子探测、超导电子技术和微纳器件的交叉领域,在量子信息技术高速发展的背景下启动。建立高探测效率低暗计数超导纳米线单光子探测器(SNSPD)设计方法和制备技术体系,自主掌握了NbN SNSPD制备、系统集成等核心技术,解决了中国高性能单光子探测器的有无问题,性能达国际领先水平,并成功应用到量子信息、卫星测距等领域。授权国内发明专利5项,国际发明专利2项;发表论文60余篇,他引530余次。

关键发明点:

(1)授权发明专利和成套专有技术打破国外封锁,系列SNSPD性能达国际领先水平:揭示SNSPD器件背景暗计数起源,突破片上集成低温滤波器和光纤端面低温滤波器两种暗计数抑制的关键技术,实现超低暗计数SNSPD器件。提出多层介质薄膜镜面提高纳米线光吸收的新方法,突破介质薄膜高均匀性超导纳米线制备的关键技术,研制出1550nm工作波段、基于2K小型制冷机的NbNSNSPD器件,系统探测效率超过90%,为国际最高指标。

(2)发明新型器件电路结构,提升器件工作性能。基于对SNSPD器件静态和动态特性的深入研究以及对热驰豫机理的理解,发现电磁干扰引起的电流波动是导致系统跳锁的原因,通过将传统准恒流偏置改为准恒压偏置以及电路参数优化,彻底解决了环境波动引起的系统失稳问题。发明单光子响应脉冲波形整形方法,利用无源缓冲网络减小下降沿时间,为高速信号处理提供电路解决方案。

(3)发明高偏振消光比单光子探测器件和微纳光纤耦合SNSPD等新原理器件,为开拓SNSPD在成像、传感和宽谱探测等领域应用开辟新方向。

应用推广:

(1)高性能SNSPD系统多次应用于量子信息技术领域,并产生重要国际影响,为中国量子信息等领域保持国际领先地位提供核心器件。主要用户包括中科大(量子密钥分发QKD、量子模拟、量子指纹、量子隐形传态、大贝尔实验等)、清华大学(量子光源表征)、西安授时中心(量子时间传递)等。和中科大合作开展测量器件无关QKD(MDI-QKD)等研究,多次创造量子密钥分发距离世界纪录,其中200公里MDI-QKD成果2014年被评为“两院院士评选中国十大科技进展新闻”。

(2)国际首次开展SNSPD卫星测距实验,开辟SNSPD战略应用新空间:和上海天文台合作,成功开展3千公里LARES激光测距,精度达8mm;20000公里GLONASS卫星测距,精度为2cm;被美国光学学会评为亮点成果。

(3)孵化高科技公司,实现高端元器件出口:共有20台套SNSPD系统安装于国内7个省市10家单位,成立国内唯一一家以SNSPD为核心技术的高科技公司;国内市场占有率达到50%以上,创造直接经济效益450万元。和中船重工鹏力(南京)超低温技术有限公司合作,实现间接经济效益3000万元;2015-16年通过瑞士知名公司ID Quantique实现SNSPD器件出口欧洲。

成果说明

该项目研发的SNSPD器件与系统性能总体技术水平达到国内领先、国际先进;其中探测效率、暗计数等核心指标方面达到国际领先水平。面向量子信息等前沿科技领域对高性能单光子探测的需求,成立产业化公司上海赋同科技有限公司开展相关应用推广工作,取得了良好的经济和社会效益。 国内应用推广方面,已有20余台套系统在10省市10余所大学和研究机构获得应用。主要用户单位包括:中国科学技术大学、上海天文台、清华大学、国家授时中心、华东师范大学、长春理工大学、上海光机所、山西大学、电子科大、信息工程大学等。2016年成立国内唯

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