基于级联超导纳米线波导集成单光子探测器实现99.73%探测效率及自校准新方法

《Light-Science & Applications》：Surpassing 99% detection efficiency by cascading two superconducting nanowires on one waveguide with self-calibration

本刊推荐：为解决集成量子光子学（IQP）中单光子探测效率（ODE）不足限制大规模量子计算的问题，研究人员开展超导-半导体异质集成技术研究，提出横向排列梳状纳米线结构消除波导角损耗，在硅波导上实现99.73%（1550 nm）的片上探测效率，并构建双探测器自校准系统突破传统功率校准不确定性瓶颈。该突破将100光子符合探测概率从0.008%提升至90.48%，为千光子级量子模拟奠定基础。

　　

在构建大规模量子计算机的竞赛中，集成量子光子学（IQP）技术因其可扩展性和光子的低噪声特性被视为实现百万量子比特处理器的理想平台。然而，单光子探测器（SPD）作为量子信息读取的关键部件，其探测效率的微小缺陷会随着光子数量（n）的增加呈指数级放大：当n=100时，即使采用91%的先进探测效率，符合探测概率也仅为0.008%，严重制约了量子门操作成功率和量子态测量精度。传统波导集成超导纳米线单光子探测器（SNSPD）采用发夹式结构，其前端拐角形成的"死区"导致光子损失，使探测效率始终难以突破99%的理论极限。

为解决这一瓶颈，南京大学与北京大学联合团队在《Light: Science & Applications》发表研究，提出一种革命性的横向梳状纳米线结构。通过超导-半导体异质集成技术，将两个SNSPD级联集成于单一硅波导，不仅实现99.73%的片上探测效率（1550 nm波长），更构建了内置自校准系统，有效规避了光纤-波导耦合损耗和绝对功率校准的不确定性。该设计使1000光子符合探测概率提升至36.77%，较此前记录实现数量级突破。

关键技术方法包括：1）采用PDMS印章微芯片转移技术实现纳米线探测器与波导的精确异质集成；2）设计横向排列梳状纳米线结构消除拐角损耗，提升单位长度吸收系数（硅波导达7.57×10³dB/cm）；3）建立双探测器级联架构，通过光子计数比值法（r=PCR₂/PCR₁）实现片上自校准；4）结合室温光学传输测量与低温光子计数验证，确保效率标定可靠性。实验使用5 nm厚NbN纳米线（宽度100 nm，间距200 nm）与220 nm厚硅波导。

研究结果

仿真验证梳状结构突破波导平台效率极限

通过三维电磁仿真对比传统发夹结构与新型梳状结构的性能差异。结果显示，发夹结构最优拐角的等效长度l_equal为139 nm，导致硅波导传播损耗达5.29%；而梳状结构彻底消除拐角损耗，在硅、氮化硅（SiN_x）和铌酸锂（LiNbO₃）波导上的最大纳米线吸收p_max分别达99.762%、99.987%和99.995%。梳状纳米线的吸收系数显著高于发夹结构（如硅波导提升25%），使实现99%吸收所需波导长度在LiNbO₃平台上从123.3 μm缩短至54.6 μm。

PDMS印章实现精确异质集成

研究团队开发了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章的微芯片转移技术。先将SNSPD制作于256 nm厚二氧化硅（SiO₂）悬浮膜上，通过缓冲氧化物刻蚀剂（BOE）和反应离子刻蚀（RIE）工艺释放膜结构，再利用PDMS柱拾取并翻转芯片，最终通过范德华力将探测器精准集成至波导芯片。该技术实现μm级对齐精度，接触电阻低于10 Ω，且兼容标准化倒装芯片工艺。

相对校准法消除绝对功率不确定性

创新性地利用级联探测器架构建立自校准系统。室温传输测量显示，单个探测器（D1）引起16.13 dB损耗（净吸收p₁=97.34%），双探测器（D1&D2）总损耗达34.0 dB（净吸收p_sum=99.74%）。低温光子计数测得D1与D2计数率比值r=1.96%，结合0.22%的反射损耗γ，推得单探测器吸收p₀=97.82%。通过法诺涨落模型拟合饱和量子效率η₀=99.99%，最终验证双探测器总探测效率ODE_sum=99.73%。

结论与讨论

该研究通过材料创新与架构设计双重突破，将波导集成SNSPD的探测效率推至逼近理论极限。梳状纳米线结构成功解决困扰领域多年的拐角损耗问题，而异质集成技术展现出与硅、氮化硅、铌酸锂等多平台兼容优势。特别值得关注的是，双探测器自校准方案为超高效探测器计量提供新范式，使效率测量摆脱传统光纤耦合不确定度的束缚。尽管当前反射损耗γ的精确测量仍存挑战，但研究指出通过引入光子晶体腔等结构可进一步优化模式匹配，未来在低损耗LiNbO₃波导上有望实现99.9%以上效率。这项技术不仅为玻色采样、量子行走等大尺度量子模拟任务扫清探测障碍，其与光子数分辨（PNR）SNSPD技术的兼容性更为连续变量量子计算提供关键硬件支撑。该成果标志着集成量子光子学向实用化迈出决定性一步，使千光子级量子处理器的实现从理论构想步入工程实践阶段。