毫开尔文温区传播微波光子的量子统计特性测量：纳米测辐射热计实现光子数分辨探测

研究人员针对微波光子量子统计特性测量中室温探测器热噪声干扰和相位不敏感放大引入额外噪声的难题，开发了基于纳米测辐射热计（nanobolometer）的低温直接探测技术。该研究通过控制黑体辐射源温度，首次在毫开尔文温区测得符合玻色-爱因斯坦分布的微波光子数方差(Δn)2=?n??(?n??+1)，并观测到从超泊松统计到泊松统计的相变过程（g(2)(0)=2→1），为量子计算读出和宇宙微波背景研究提供了无放大噪声的解决方案。

　　

在量子计算和基础物理研究领域，微波光子作为超导量子比特、量子点和里德堡原子等平台的核心信息载体，其量子统计特性的精确测量至关重要。然而传统测量方法面临根本性限制：微波光子能量（约10^-5eV）远低于室温探测器热涨落（约25meV），而必需的相位不敏感电压放大器又会引入至少10个等效噪声光子。虽然参数放大技术（如约瑟夫森参量放大器）能部分降低噪声，但量子力学基本原理要求其必须引入至少半个量子噪声。这种"测量噪声困境"使得研究者只能通过耗时数小时的异差探测和复杂解卷积来间接推断光子统计特性。

为解决这一难题，芬兰阿尔托大学与VTT技术研究中心的联合团队在《Nature Communications》发表创新性研究。研究人员采用基于超导-正常金属-超导（SNS）结阵列的纳米测辐射热计，结合7岛Al-AuPd-Al结温度计和8.428GHz带通滤波器，开发出可直接在毫开温区测量传播微波光子量子统计特性的系统。关键技术包括：1）利用133MHz带宽黑体辐射源精确调控?n??（0.16-27光子/(s·Hz)）；2）通过电子温度依赖的SNS结电感变化实现0.22MHz/photon灵敏度；3）基于Voigt线型分析提取光子数方差(Δn)²；4）混合相干/热场实现g⁽²⁾(0)可控调节。

纳米测辐射热计表征
系统核心是集成滤波器-吸收器-温度计的三明治结构。在P_p=-140dBm探针功率下测得524MHz谐振频率，外/总衰减率γ_c=4.8μs^-1、γ=18.7μs^-1。输入功率扫描显示谐振频率偏移Δf_r与P_h呈立方关系，电子温度升高导致SNS结电感增加是主要机制。

光子数分辨能力
黑体辐射实验（T=60mK-1K）证实系统可分辨0.16光子/(s·Hz)的量子极限，对应119aW功率灵敏度。通过200Hz中频带宽下的频率涨落分析，测得CV（变异系数）从?n??=0.16时的<1降至?n??=2时的0.05。

光子数方差验证
热态测量结果完美符合玻色-爱因斯坦分布：(Δn)²/?n??²从?n???1时的≈1过渡到?n???1时的≈1/?n??。相干态对照实验则始终呈现(Δn)²=?n??的泊松统计，二者在μ-?n??关系上的差异（图3b）源自黑体辐射导致的声子浴温升（T_b），经T_b⁶多项式修正后吻合。

光子关联相变观测
通过调节相干场（P_coh）与热场比例，实现g⁽²⁾(0)从1（纯相干）到1.96（纯热场）的连续调控。实验值与理论预期偏差<5%，主要源于低温系统多级热化阶段的信号衰减。

该研究首次实现毫开温区微波光子量子统计的无噪声测量，突破传统放大技术的量子极限。其意义体现在三方面：1）技术层面，7岛SNS结设计将射频探测频段扩展至亚10GHz，优于TES（过渡边传感器）和SNSPD（超导纳米线单光子探测器）；2）理论层面，直接验证玻色-爱因斯坦统计在微波波段的表现；3）应用层面，为量子处理器读出和宇宙微波背景（CMB）谱畸变研究提供新工具。作者指出，未来结合微波分束器（beam splitter）可扩展至高阶关联测量，而器件的小型化（150nm×1μm吸收器）有利于实现多路复用集成。这项成果标志着量子测量技术从"噪声容忍"向"噪声消除"范式的重要转变。