NIST研究人员扩展量子技术探测微弱光子

在这幅插图中，一个光子击中超导导线，扰动了电流并产生电脉冲记录。每个脉冲都向研究人员传递了关于击中探测器的光的信息，这对于生物医学成像和天文学等应用具有重要价值。

我们的日常生活中充斥着光子，即光的量子基本单元。对于量子计算、深层组织成像等前沿技术而言，探测每一个光子都至关重要。

“光子承载着信息，”国家标准与技术研究院（NIST）的博士后研究员克里斯汀·帕尔祖霍夫斯基表示。“每当一个光子进入测量系统，你都必须能够捕捉到它。”

光子可在量子网络或深空通信链路中传输数据。通过捕捉和分析光子，科学家能够构建生物医学图像，并搜寻宇宙中的暗物质。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是上述应用中捕获光子的最佳手段。顾名思义，这类设备利用超导现象——即电流无电阻流动——来探测单个光子。单个光粒子会在电流中引发微小扰动，从而破坏超导状态并触发可测量的电信号。多年来，NIST持续改进这些设备，使其能够探测到98%的入射光子。

不过，SNSPD仍存在一些短板。它们通常依赖高度专业化的纳米级制造工艺。更重要的是，超导探测器的边缘限制了整体性能。已知能承载更大电流的探测器表现更佳，但制造缺陷限制了最大电流流量。

NIST研究人员决定大胆尝试。在一篇新发表于《Optica》的论文中，他们发现可以将超导导线尺寸放大至十分之一毫米——比典型SNSPD宽出100多倍——从而简化光子探测器的设计，并通过一种方法释放材料的真实性能潜力，同时简化制造流程。

“通常，大家都在追求制造越来越细的导线，这使得制造难度不断攀升，”帕尔祖霍夫斯基说。

SNSPD通常采用一根100纳米宽的超导材料导线，连接到读出电路。电流像水流过河流一样流过导线。当光子击中导线时，如同石头落入河中，会产生一个热点扰乱电流。该热点产生电压脉冲，由读出电子设备捕获。

NIST博士后研究员埃利·穆勒指出，科学家曾认为SNSPD中的超导导线必须保持在纳米级，以最大化光子穿过导线时产生的微小“扰动”。

“光子能量需要破坏整个导线宽度的超导状态，”他说。“要让设备在光子能破坏100微米宽超导状态的条件下工作非常困难，因此设备宽度需维持在数百纳米量级。”

由于这种纳米级尺寸，SNSPD必须在较低电流下运行，这意味着较低能量的光子产生的扰动更小，更难被探测到。读出信号也相对微弱。电流行为并不完美：它不会均匀地流过导线。缺陷还可能导致电流沿边缘积聚，如同河流中的漩涡或涡流，从而产生称为暗计数的虚假信号，帕尔祖霍夫斯基补充道。

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来源：NIST。；内容经中文翻译改写，采集时间：2026-08-26 18:10:26。

(责任编辑：标准科技参考)