基于过渡边缘传感器的C波段波长探测效率评估及其在量子信息处理中的应用

本研究针对光子数分辨探测器(PNRD)在量子信息处理中对探测效率的严格要求，开发了一套基于声光调制器(AOM)切换连续波激光的校准系统，用于评估过渡边缘传感器(TES)在C波段(1510-1570 nm)的系统探测效率(SDE)。研究通过两种计算方法(最大光子数截断法和零光子概率法)获得87%-93%的SDE值，扩展不确定度分别为4.1%和1.5%，验证了TES在宽波长范围内的高效光子探测能力，为量子光学器件的精确表征提供了重要技术支撑。

　　

在量子信息处理和量子通信领域，光子数分辨探测器(PNRD)是实现高精度量子态测量的核心器件。其中，过渡边缘传感器(TES)因其接近100%的量子效率、宽波段灵敏度以及出色的光子数分辨能力，已成为量子光学计算机中探测压缩态光子的关键器件。然而，要实现这些应用，TES必须在通信波段(特别是C波段)具备高且稳定的系统探测效率(SDE)，这需要建立精确的波长依赖性评估方法。目前，虽然已有研究通过反射率测量评估光学腔性能，但基于实际光子探测的波长特性校准系统仍属空白。

为攻克这一技术难题，研究人员开发了一套创新的校准系统，通过声光调制器(AOM)将连续波可调谐激光转换为脉冲光源，在1510-1570 nm波长范围内系统评估了TES的探测效率。该系统采用外部腔二极管激光器(ECDL)产生连续激光，经带宽1 nm的可调带通滤波器(BPF)滤除放大自发辐射(ASE)噪声后，通过AOM调制产生11.3 ns脉宽的激光脉冲。研究人员创新性地采用两种计算方法：方法1基于各光子态概率P(n)直接求和，方法2则利用零光子态概率P(0)和泊松分布特性反推平均光子数。为确保测量准确性，研究还通过二阶相关函数g⁽²⁾≈1验证了光源的泊松统计特性，并利用艾伦方差确认了激光功率的稳定性(相对偏差<0.05%)。

研究结果显示，TES在C波段的SDE呈现明显的波长依赖性，从1510 nm的88.3%逐渐增至1570 nm的92.4%。两种计算方法获得的结果高度一致，但方法2凭借仅需分析零光子态的优势，将扩展不确定度从4.1%(方法1)显著降低至1.5%。特别值得注意的是，实测SDE曲线与基于Ta₂O₅/SiO₂介质膜光学腔的模拟吸收特性高度吻合，证实了测量系统的可靠性。通过12 μm×12 μm的Ti/Au双层TES器件(能量分辨率0.38 eV)获得的实验数据表明，波长依赖性主要源于光学腔设计，而绝对效率的微小差异(约2%)可能来自光纤耦合损耗。

这项研究的意义在于首次建立了基于实际光子探测的TES波长特性评估方法，填补了C波段PNRD校准的技术空白。研究提出的AOM脉冲调制方案不仅适用于TES表征，还可拓展用于其他量子光源的评估。1.5%的测量不确定度为光学量子计算机的器件选型提供了可靠依据，而揭示的波长依赖性规律为优化光学腔设计指明了方向。未来通过减少光纤耦合损耗，有望使TES在通信波段的SDE突破95%，这将极大促进量子纠错等前沿技术的发展。该成果发表在《Optics》期刊，为量子光学计量建立了新的技术标准。