近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李浩、尤立星团队在大规模超导纳米线单光子探测技术方面取得重要进展。研究团队研制出可扩展的百通道超导纳米线单光子探测系统，基于紧凑型低冷量制冷机实现了100个高性能探测通道的独立偏置、独立读出和长期稳定运行，为大规模量子通信网络、光量子计算、深空光通信及高通量单光子成像提供了新的技术平台。相关成果以“A Scalable Platform for Massively Parallel Superconducting Single-Photon Detection”为题，发表于国际光学期刊《Laser & Photonics Reviews》（论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71972）。

图1 多通道探测系统性能对比：支持的最大通道数，以及在指定制冷能力下系统的最低工作温度与检测效率。为统一标准，本研究以制冷系统在4.2 K温度下可达到的最大制冷能力作为参考基准。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有探测效率高、暗计数低、响应速度快和时间分辨率高等突出优势，已成为量子通信、量子光学和弱光探测领域的重要核心器件。然而，当系统从几个探测通道扩展到数十乃至数百个通道时，大量同轴电缆会向低温端引入显著热负载，同时还会增加系统体积、制冷功耗和读出复杂度。如何在保持单通道探测性能的同时实现大规模并行集成，是制约SNSPD系统进一步发展的关键技术问题。针对上述挑战，研究团队从探测器芯片、低温封装、信号互连、偏置读出和系统集成等多个层面开展协同设计，建立了由100个独立SNSPD组成的大规模并行探测平台。系统采用商用Gifford–McMahon制冷机，最低工作温度低于2.1 K，并在有限低温制冷功率条件下实现100个探测通道的同步运行。

为解决传统同轴电缆数量随通道数增加而迅速增长的问题，研究团队设计了高密度多芯微带传输线。与相同通道数的传统同轴电缆方案相比，该多芯微带线显著降低了从室温端向2 K冷端传导的热量。研究结果表明，其低温热负载约为对应同轴电缆方案的二十一分之一。在典型约 mW级的2 K制冷功率条件下，该互连方案能够支持100个以上探测通道，而传统低温同轴电缆方案可支持的通道数通常约32路。在探测器方面，研究团队采用NbN/SiO₂/NbN双层纳米线结构，并结合Si/SiO₂分布式布拉格反射镜构建高吸收光学腔。器件采用了小型化自对准器件封装技术，兼顾器件稳定性和小型化。测试结果显示，100个通道的系统探测效率均超过80%，分布范围为80.1%至98.3%；暗计数率通常约为100 cps，并全部低于300 cps。系统还表现出良好的长期稳定性。在连续7天、每天24小时的运行测试中，低温平台温度始终稳定保持在2.1 K以下。

图 2　100 通道探测平台性能：100 个探测器的临界电流、系统探测效率与暗计数统计，以及 7×24 h 温度监测和典型偏置特性曲线

为验证百通道平台在实际量子信息系统中的应用能力，研究团队进一步搭建了五用户全连接量子纠缠分发网络。实验采用波分复用技术产生并分配多组能量—时间纠缠光子对，五个用户之间形成十条两两连接的量子链路。各用户分别利用SNSPD通道接收纠缠光子，并通过非平衡马赫–曾德尔干涉仪完成Franson双光子干涉测量。实验结果显示，全部十组用户链路的原始干涉可见度均超过90%，验证了该平台在多用户量子网络中的高效率、低串扰和并行探测能力。由于各探测通道具有独立偏置和独立读出能力，系统还可以根据不同用户、不同波长和不同光子通量分别调节工作状态，为更大规模的波分复用和多用户量子网络提供了灵活基础。

图 3　全连接五用户量子纠缠分发网络：纠缠光子对产生、网络拓扑及十组纠缠光子对的 Franson 干涉条纹

该研究将SNSPD的发展从单器件性能优化进一步推进到系统级规模化集成。百通道平台兼顾高探测效率、低暗计数、低热负载、高通道隔离度和长期稳定运行，为解决大规模超导单光子探测中的低温布线与系统集成问题提供了可行方案。除量子通信外，该平台还可面向光量子计算、多光子符合测量、高通量时间相关单光子计数、多波束激光雷达、深空光通信、时间分辨光谱和生物医学成像等应用。通过配置针对高计数率、低时间抖动或低暗计数优化的SNSPD芯片，同一系统架构可适应不同应用对探测性能的需求。未来，研究团队将进一步开展低损耗多芯微带线、低温前置放大、高速FPGA时间数字转换和片上多像元探测阵列等技术研究，持续提升系统时间分辨率、单通道计数率和数据处理能力，并推动探测规模向数百乃至更多通道扩展。

本工作受到国家自然科学基金（62401554、U24A20320），国家科技重大专项（2023ZD0300100），以及上海市量子重大专项（2019SHZDZX01）等项目资助。论文第一作者为博士后肖游及研究生万震，通信作者为肖游和李浩研究员。