把“命門(mén)”掌握在自己手中
作為國(guó)際戰(zhàn)略新興技術(shù)，量子信息領(lǐng)域面臨著激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，其核心元器件技術(shù)受到國(guó)際禁運(yùn)的影響。高性能單光子探測(cè)器是量子調(diào)控中不可或缺的關(guān)鍵核心部件，也曾在國(guó)際禁運(yùn)之列。
“光子是光的最小單元，一個(gè)10瓦的燈泡1秒鐘可以發(fā)出約1020個(gè)光子。”中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱上海微系統(tǒng)所）研究員尤立星博士向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，單光子探測(cè)技術(shù)就是探測(cè)一個(gè)光子的技術(shù)，代表光信號(hào)探測(cè)能力的極限。
單光子探測(cè)器對(duì)量子信息領(lǐng)域到底有多重要？尤立星打了一個(gè)比方：假設(shè)一顆水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開(kāi)水嘩嘩嘩流出來(lái)，而量子調(diào)控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來(lái)，單光子探測(cè)器相當(dāng)于探測(cè)到滴下來(lái)的每一顆水滴。“我們就要把探測(cè)到的單個(gè)光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，當(dāng)前的探測(cè)水平是，如果發(fā)射100個(gè)光子，我們可以探測(cè)到90個(gè)。”
SNSPD特種兵與量子信息國(guó)家隊(duì)的配合戰(zhàn)
尤立星于2007年回國(guó)，在上海微系統(tǒng)所開(kāi)展低溫超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）技術(shù)的研發(fā)。該技術(shù)利用超導(dǎo)納米材料對(duì)光敏感的特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子的探測(cè)。
單光子探測(cè)器的研發(fā)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從材料生產(chǎn)、加工到系統(tǒng)集成必須從零開(kāi)始探索。在還沒(méi)有自主掌握SNSPD核心技術(shù)之前，我國(guó)進(jìn)行量子通信試驗(yàn)所使用的單光子探測(cè)器，效率只有20%，且噪聲極大，與國(guó)際最高水平相差甚遠(yuǎn)。缺乏高性能單光子探測(cè)器已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國(guó)量子信息領(lǐng)域科學(xué)家與國(guó)外同行的競(jìng)爭(zhēng)。
尤立星表示，我國(guó)單光子探測(cè)器的起步和發(fā)展是從用戶需求中探尋出科研方向，第一步就是要實(shí)現(xiàn)器件的實(shí)用性和可靠性。
在與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)室潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的合作中，尤立星團(tuán)隊(duì)通過(guò)研發(fā)新型電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，并將其應(yīng)用環(huán)境從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，做到適應(yīng)于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。2012年，我國(guó)自主研發(fā)的SNSPD第一次成功應(yīng)用到城際量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中。潘建偉在用戶報(bào)告提到：“與國(guó)外同類(lèi)型單光子探測(cè)器相比，上海微系統(tǒng)所研制的SNSPD系統(tǒng)基于機(jī)械制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了即插即用，既大大提升了用戶友好性能，又顯著降低了應(yīng)用成本，具有很好的推廣價(jià)值。”
