微納結構出新意：分形幾何助力單光子探測新突破

科技日報記者 陳曦 通訊員 尹偉

3月14日，記者從天津大學獲悉，該校精密儀器與光電子工程學院胡小龍教授課題組成功研製了一種具有分形結構的超導納米線單光子探測器（以下簡稱“分形SNSPD”）。這一成果能夠為光量子計算、量子密鑰分發、遠距離空間光通信、光學成像等領域的應用提供性能優異的單光子探測器。相關研究成果發表在國際期刊《IEEE 量子電子學精選期刊》上。

據介紹，單光子探測器是一種具有極限靈敏度的光電探測器，在捕捉和記錄光信號方面發揮着至關重要的作用，是推動高靈敏探測、弱光成像、光量子信息處理技術發展的不可或缺的核心器件。然而，傳統的單光子探測器或者受限於探測光譜範圍、響應速度、信噪比，或者探測效率受限於光子的偏振態（光的極化方向）。研究團隊以自然界的分形幾何為靈感，設計出一種全新的分形納米線結構，為偏振無關的高效率單光子探測開闢了新路徑。

分形納米線結構複雜而精密。一方面，這種幾何結構賦予了單光子探測器高效率探測任意偏振態入射光子的能力；另一方面，分形納米線結構也對器件和芯片的微納加工工藝提出了很高的要求。為了實現設計的器件結構與功能，納米線的寬度要在40納米，也就是人的頭髮直徑的1/2500，而且加工出來的納米線必須邊沿光滑沒有缺陷。

研究團隊利用先進的納米加工技術，經過多年的研發與工藝迭代，形成了穩定的器件與芯片的微納加工流程。針對應用場景，在多個工作波段研製出性能優異的分形SNSPD器件、芯片、模塊、系統。

分形SNSPD的應用前景非常廣闊。單光子探測器對光量子計算系統至關重要，能夠高效捕獲量子信息。研究團隊已經與國內多個單位合作，將分形SNSPD應用於實驗量子光學以及對納米激光器的表徵。此外，在光通信領域，新型探測器有望顯著提升光子所攜帶的信息的傳輸速度，降低信號損失，為超遠距離的空間光通信提供有力支撐。該探測器還將在光學成像領域發揮重要作用，特別是在醫學診斷中，能夠提供更高的分辨率和更清晰的成像效果，助力早期診斷和精準治療。

研究團隊負責人胡小龍教授表示，分形SNSPD這項技術的成功不僅顯著提升了單光子探測器的性能，更是微納光電子器件與分形幾何的交叉融合，是從原始創意到實用化器件與系統全鏈條自主研發的創新實踐。團隊的下一步計劃是將分形SNSPD這一技術推向產業化，以推動相關領域和產業的發展。