加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關鍵核心技術，努力搶占科技制高點，為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。
——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設國際一流科研機構。
——中國科學院辦院方針
——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學院辦院方針
近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所（簡稱 “上海微系統(tǒng)所”）李浩、尤立星研究員團隊在量子探測領域取得關鍵進展。該團隊創(chuàng)新性融合高效率超導單光子探測與片上空間復用讀出技術，成功研制出具備 98% 系統(tǒng)探測效率、可分辨 32 個光子的光子數(shù)可分辨單光子探測器，為光量子計算、量子通信等前沿領域的實用化突破提供了核心器件支撐。相關研究成果以 "Photon-Number-Resolving Single-Photon Detector with a System Detection Efficiency of 98% and Photon-Number Resolution of 32"為題，于 7 月 4 日在國際權威學術期刊《ACS Photonics》正式發(fā)表，并被選作附加封面。論文 DOI 鏈接為：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508。
圖 1 探測器結構與效率性能圖：（a）探測器結構示意圖；（b）探測效率和暗計數(shù)曲線圖
光子數(shù)可分辨單光子探測器是量子信息領域的 “核心感知器件”，其性能直接決定了量子技術從理論走向應用的上限。長期以來，傳統(tǒng)光子數(shù)可分辨探測技術始終面臨性能瓶頸：超導轉變邊緣傳感器雖能實現(xiàn)一定的光子數(shù)可分辨能力，但存在探測速度慢（通常低于 1MHz）、時間抖動大（約納秒級）、且需超低溫（約 100mK）極端環(huán)境等問題，難以滿足高重復頻率實驗需求；而半導體單光子探測器則受限于材料帶隙特性，探測效率始終難以突破關鍵閾值，制約了量子系統(tǒng)的整體性能。
針對這些行業(yè)痛點，上海微系統(tǒng)所團隊提出了顛覆性的技術方案，通過 “雙結構優(yōu)化” 實現(xiàn)探測效率和光子數(shù)可分辨率的突破，具體包括：一方面，采用 NbN/SiO?/NbN 三明治式超導納米線結構，并將其集成在中心反射帶為 1550nm 的分布式布拉格反射器（DBR）上。這種設計不僅大幅提升了納米線對光子的吸收效率，還顯著增強了光子響應的信噪比，為接近 100% 的探測效率和高效信號讀出奠定了硬件基礎；另一方面，團隊通過“分段設計 + 分流電阻” 構建片上空間復用讀出系統(tǒng)，將 32 個納米線像素串聯(lián)，每個像素均并聯(lián) 40Ω 電阻，使探測器輸出的脈沖幅度與入射光子數(shù)形成精準的線性映射關系，從原理上突破了傳統(tǒng)器件探測效率和光子數(shù)可分辨能力有限的技術障礙。
圖2（a）器件分辨 1-32 個光子事件波形圖。（b）1-8 個光子輸出幅度統(tǒng)計分布圖。（c）不同光子數(shù)本征預報概率，對于 1-6 個光子，準確分辨的概率超過 99%。
實驗測試數(shù)據(jù)顯示，該探測器的綜合性能達到國際領先水平：單光子系統(tǒng)探測效率最高達 98.6%，逼近理論極限；光子數(shù)可分辨能力覆蓋 1-32 個光子，遠超傳統(tǒng)超導納米線探測器（通常不超過 10 個光子）的分辨上限；同時，對2光子、3光子、4光子事件的探測保真度分別達到 87.4%、73.4% 和 40.5%，為高保真度多光子態(tài)探測提供了可靠的技術方案，可有效支撐復雜量子態(tài)的精準測量。該成果不僅為量子信息科學的基礎研究與產(chǎn)業(yè)應用提供關鍵器件保障，更向全球量子探測領域貢獻了兼具創(chuàng)新性與實用性的 “中國方案”。
上海微系統(tǒng)所為該研究的第一完成單位與通訊單位，博士生丁超夢、已出站博士后張興雨為論文共同第一作者，李浩研究員為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金（項目編號：U24A20320、62401554）、科技創(chuàng)新 2030—“量子通信與量子計算機” 重大項目（項目編號：2023ZD0300100）、上海市量子重大專項（項目編號：2019SHZDZX01）等項目的聯(lián)合資助。
