賦能超導納米線單光子探測器（SNSPD）的制冷技術(shù)

超導納米線單光子探測器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作為一種高性能的單光子探測器，已經(jīng)廣泛的應用于量子信息、激光雷達、深空通信等領(lǐng)域，有力推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技進步。然而，迄今為止，所有的SNSPD 都只在地面實現(xiàn)了應用驗證，包括美國NASA 2013 年的月地激光通信LLCD 項目，也是在地面接收站使用了超導單光子探測器，在衛(wèi)星上不得不使用了性能較差的半導體單光子探測器。如果能夠在空間應用中采用SNSPD，有望實現(xiàn)空間光通信技術(shù)的跨越式發(fā)展，大幅提升深空激光通信和量子通信的距離和成碼率。而制約SNSPD 空間應用的主要因素是制冷技術(shù)。

SNSPD 通常需要在液氦（4.2K）以下溫區(qū)工作，典型的解決方案是采用商用的G-M 二級閉合循環(huán)制冷機。包括上海賦同科技有限公司在內(nèi)全球6家公司SNSPD 商業(yè)化產(chǎn)品都采用類似的制冷技術(shù)。然而這類制冷機由于采用了油壓縮機，冷頭有運動部件；而且受到這類制冷機體積、重量功耗制約，使得這類制冷機無法實現(xiàn)空間應用。面向空間應用對高性能單光子探測技術(shù)的需求，全球科研人員一直在努力發(fā)展面向空間應用的小型液氦溫區(qū)制冷機技術(shù)，并期望將其和高性能SNSPD 結(jié)合。2017年1月，美國NIST 最先報道了一個基于三級脈管加JT 節(jié)流技術(shù)的小型制冷機，然而JT的壓縮機尚未成功研制，且未能實現(xiàn)SNSPD 的性能測試【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英國Glasgow 大學報道了一個基于斯特林+JT 節(jié)流技術(shù)的小型制冷機，該制冷機可以滿足空間應用需求，但是最低溫度只能達到4.2K。利用該制冷機研究人員實現(xiàn)了正常工作的SNSPD（1310 nm波長/暗計數(shù)KHz/探測效率僅20%），但是性能非常有限，和半導體探測器性能相當【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。

2017年起，中科院上海微系統(tǒng)所/中科院超導電子學卓越創(chuàng)新中心尤立星團隊和中科院理化所梁驚濤團隊通力合作，開展面向空間應用的SNSPD 系統(tǒng)研發(fā)。理化所成功研發(fā)了可實現(xiàn)空間應用的二級脈管+JT 節(jié)流技術(shù)小型制冷機，最低無負載工作溫度可達到2.6 K。安裝上海微系統(tǒng)所研制的SNSPD 器件后，最低工作溫度達到2.8K。在此溫度下，國際上首次實現(xiàn)了1550nm工作波長，最高系統(tǒng)探測效率超過50%。在100Hz暗計數(shù)下，系統(tǒng)探測效率達到47%，且抖動只有48 ps。性能大幅超越傳統(tǒng)的半導體探測器。相關(guān)成果近日發(fā)表于Optics Express 【OE 26(3): 2965-2971. (2018)】。該結(jié)果有望為我國下一代量子衛(wèi)星、深空激光通信等空間應用提供高性能單光子探測器解決方案。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術(shù)”（2017YFA0304000）、中科院交叉創(chuàng)新團隊（超導單光子探測創(chuàng)新交叉團隊）、自然科學基金以及上海市科委等項目資助。