光量子信息處理核心器件研發取得突破

科技日報訊 （記者陳曦 通訊員尹偉）記者4月7日從天津大學獲悉，該校精密儀器與光電子工程學院教授胡小龍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、光學成像等領域提供性能優異的單光子探測器。相關論文發表於國際期刊《IEEE量子電子學精選專題期刊》。

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不可或缺的核心器件。然而，傳統的單光子探測器有種種侷限，或受限於探測光譜範圍、響應速度、信噪比，或受限於光子的偏振態（光的極化方向）。研究團隊從自然界的分形幾何中得到靈感，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新路徑。

分形結構普遍存在於自然界，如樹杈、雪花、蕨類植物的葉子等都屬於分形結構。分形納米線結構複雜而精密。這種幾何結構賦予單光子探測器高效率探測任意偏振態入射光子的能力，也對器件和芯片的微納加工工藝提出了很高要求。為了讓器件實現設計的結構與功能，納米線的寬度要控制在40納米，也就是人的頭髮直徑的1/2500，且加工出來的納米線必須邊沿光滑，沒有缺陷。

經過多年研發與工藝迭代，研究團隊利用先進的納米加工技術，開發出穩定的器件與芯片微納加工流程。針對不同應用場景，團隊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等方面。此外，在光通信領域，分形SNSPD有望顯著提升光子所攜帶信息的傳輸速度，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。

胡小龍表示，分形SNSPD不僅顯著提升了單光子探測器的性能，還是微納光電子器件與分形幾何交叉融合的成果，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。下一步，團隊計劃將分形SNSPD推向產業化，以推動相關領域和產業發展。