长久以来
，光子数分辨PNR探测器领域始终面临着一个难题：如何在实现高光子数分辨能力的同时
，兼顾高探测效率、低暗计数、高响应速度等实用化指标？

2025年
，中科院上海微系统所SNSPD小组在《ACS Photonics》发表的研究成果——系统探测效率达98%、光子数分辨能力高达32的PNR超导纳米线单光子探测器(PNR SNSPD)
，终于打破这一困境
，为量子光学研究注入新的活力。

一、PNR 探测器

要理解PNR探测器的重要性
，我们先从量子光学的研究需求说起。在量子世界中
，光子的行为充满了随机性和不确定性
，而许多关键的量子效应
，比如光子的聚束与反聚束效应、量子态的叠加与纠缠等
，都需要通过精确测量光子数量来验证。以高斯玻色采样（GBS）为例
，作为实现量子计算优势的重要途径之一
，它需要精确统计输出光子的数量分布
，以此来体现量子计算相较于经典计算的速度优势。

然而
，打造一款高性能的PNR探测器并非易事。理想的PNR探测器需要满足多个严苛条件：

1.高探测效率：尽可能捕捉到每一个入射光子
，减少光子损失
；

2.高光子数分辨能力：准确区分不同数量的入射光子
；

3.低暗计数：在没有光子入射时
，尽量减少虚假计数
，避免干扰实验结果
；

4.快响应速度：快速捕捉光子的到达时间和数量信息
；

5.低时间抖动：减少光子到达时间的测量误差
，提高时间分辨能力。

此前
，实验室或者市面上的PNR探测器或多或少存在短板。比如超导过渡边缘传感器（TES）
，虽然具备一定的光子数分辨能力
，但计数率通常低于1 MHz、时间抖动在纳秒级别
，还需要100 mK的超低温环境
，难以满足实际实验需求
；传统的SNSPD虽然探测效率高、暗计数低
，但通常只能区分 "有光子" 和 "无光子"
，无法实现多光子数分辨。虽然通过时间、空间复用等手段可以实现一定的光子数分辨能力
，但光子数分辨数目往往小于10个。这些局限性
，让 PNR 探测器的应用范围受到极大限制
，也制约了量子光学实验向更高精度、更复杂场景的推进。

二、突破瓶颈

面对PNR探测器领域的痛点
，中科院上海微系统所SNSPD小组基于2020年开发的高探测效率SNSPD
，经过近5年时间的研发
，通过创新的器件结构设计和优化的性能指标
，完美平衡了高探测效率、高光子数分辨能力的实用化需求。

1. 三明治双层纳米线结构：近100%探测效率的秘诀

探测效率是PNR探测器的核心指标之一
，直接影响实验数据的准确性和可靠性。为了实现高探测效率
，项目团队采用了NbN/SiO?/NbN 三明治双层超导纳米线结构
，并将其置于分布式布拉格反射镜（DBR）之上。

这种双层纳米线结构能显著增强对光子的吸收能力。传统的单层纳米线结构在吸收光子时
，部分光子可能会穿过纳米线而无法被捕捉
，导致探测效率损失。而双层纳米线结构就像给光子设置了 "双重关卡"
，大大提高了光子的吸收概率。同时
，DBR的存在进一步增强了光的反射和吸收
，让入射光子在探测器内部有更多机会被纳米线捕捉。

经过实验测试PNR SNSPD在1550 nm通信波长下
，单光子系统探测效率（SDE）高达98%
，且暗计数率仅为20 cps。这意味着
，在实验中
，每100 个入射光子中
，有98 个能被探测器准确捕捉
，极大减少了光子损失对实验结果的影响。

图 1 探测器结构与效率性能图：（a）探测器结构示意图
；（b）探测效率和暗计数曲线图

2. 空间复用与分流电阻设计：32 光子分辨的核心

光子数分辨能力是PNR探测器的 "灵魂"。为了突破传统SNSPD光子数分辨能力有限的瓶颈
，项目团队采用了空间复用技术
，并为每个像素配备了分流电阻。将探测器的感光区域（约20 μm×20 μm）划分为32个像素
，这些像素通过串联方式连接
，每个像素都并联一个40 Ω的分流电阻。当入射光子触发某些像素时
，像素中形成的热点电阻会超过分流电阻的阻值
，此时偏置电流会通过分流电阻产生输出信号。由于不同像素的分流电阻阻值相近
，输出信号的幅度与入射光子的数量呈现出良好的线性关系 —— 入射光子数量越多
，触发的像素越多
，输出信号的幅度就越大。

通过这种设计
，探测器能够准确区分1到32个入射光子。实验中
，当入射光子的平均数量为5时
，示波器上能清晰观察到8个分离的高斯峰
，分别对应1到8个光子
；通过扫描光强
，最多可观察到32个高斯峰
，证明了探测器卓越的光子数分辨能力。

图2（c）器件分辨 1-32 个光子事件波形图。（d）1-8 个光子输出幅度统计分布图。（e）不同光子数本征预报概率
，对于 1-6 个光子
，准确分辨的概率超过 99%。

3. 读出电路优化

除了探测效率和光子数分辨能力
，时间抖动和计数率也是影响PNR探测器实用化的重要因素。时间抖动过大会导致光子到达时间的测量误差
，影响时间相关实验的精度
；计数率过低则无法满足高吞吐量实验的需求。

为了降低时间抖动
，项目团队优化了探测器的读出电路
，采用低温放大器和室温二级放大器相结合的方式
，有效提高了响应信号的信噪比。实验结果显示
，探测器在不同光子数下均表现出优异的时间抖动性能：1个光子时为382 ps
，2个光子时为234 ps
，32个光子时更是低至40.4 ps。在计数率方面
，探测器同样表现出色。当探测效率下降3 dB时
，计数率仍能达到41 MHz
，满足绝大多数量子光学实验的高计数率需求。

4. 探测器层析成像：高保真度的验证

为了全面评估探测器的性能
，项目团队还进行了探测器层析成像实验
，通过重构正算符值测量（POVM）元素
，分析探测器对不同光子数事件的探测保真度。将平均光子数μ从0.1调整到5
，覆盖了大多数实验场景下的光子数范围
，记录不同μ值下的脉冲幅度计数
，构建输入矩阵I和输出矩阵O
，再重构出保真度矩阵P。

结果显示
，探测器在多光子事件探测中表现出高保真度：单光子探测保真度为97.5%
，双光子为87.4%
，三光子为73.4%
，四光子为40.5%
，证明了探测器在准确重构入射光子数状态方面的卓越能力。

为了进一步验证保真度矩阵的准确性
，项目团队利用重构的保真度矩阵进行量子态重构
，将重构的输入分布与预期输入分布进行对比。通过计算 Hellinger 距离（一种衡量概率分布相似性的指标）发现
，当μ<1.5时
，H值通常小于 0.1
，表明重构结果与实际输入高度吻合
，进一步证实了探测器的高保真度。

三、实用化的意义

PNR SNSPD实现实用化
，不仅是探测器技术领域的一次突破
，更将为量子光学实验带来一系列深远影响
，推动多个量子领域的发展。

1. 高斯玻色采样：量子计算优势验证的强力支撑

高斯玻色采样作为实现量子计算优势的重要方向
，其核心是通过统计输出光子的数量分布来体现量子计算的速度优势。此前
，由于PNR探测器性能的限制
，GBS实验往往难以准确获取大量光子的数量信息
，影响量子计算优势的验证效果。

具备32光子分辨能力和98%的高探测效率的PNR SNSPD
，能准确捕捉GBS实验中输出光子的数量分布
，为GBS实验提供更精准的数据支持。同时
，41 MHz 的高计数率能加快实验数据的采集速度
，缩短实验周期
，助力科学家更高效地验证量子计算优势。

2. 量子通信：提升密钥分发的安全性与效率

在量子密钥分发（QKD）中
，窃听者可能通过截获和重发光子来获取密钥信息。PNR探测器能通过精准分辨光子数量
，有效区分合法信号（通常为单光子）和窃听者的干扰信号（可能包含多光子）
，从而提高QKD的安全性。

PNR SNSPD不仅能准确分辨单光子和多光子
，还具备低暗计数率和高探测效率的优势。低暗计数率减少了虚假信号对密钥生成的干扰
，高探测效率则提高了密钥生成的速率
，为量子通信的实用化推广提供了关键支撑。

3. 量子计量：高精度测量的新工具

量子计量利用量子效应实现超越经典极限的测量精度
，在原子钟、引力波探测等领域具有重要应用。在量子计量实验中
，往往需要精确测量光子的数量和到达时间
，对探测器的性能提出了极高要求。

PNR SNSPD兼具高光子数分辨能力、低时间抖动和高探测效率
，能满足量子计量实验对光子测量精度的严苛需求。比如在原子钟实验中
，它可以准确测量光子的到达时间
，提高原子钟的精度
；在引力波探测中
，它能捕捉到引力波引起的光子数量变化
，助力科学家更精准地探测引力波。

4. 基础量子光学研究：探索量子世界的新视角

除了上述应用领域
，PNR SNSPD还将为基础量子光学研究提供新的工具
，帮助科学家探索更多未知的量子效应。

比如在多光子纠缠实验中
，此前由于探测器光子数分辨能力的限制
，科学家难以准确观察多光子纠缠的细节。能分辨32个光子的PNR SNSPD
，为研究多光子纠缠提供了更精准的观测手段
，有望推动多光子纠缠理论的发展。

在光子聚束和反聚束效应的研究中
，高探测效率和低暗计数率能让实验数据更准确
，帮助科学家更深入地理解光子的统计特性
，为量子光学理论的完善提供实验支撑。

四、未来展望

虽然PNR SNSPD已经实现了实用化
，但在性能优化和应用拓展方面
，仍有巨大的潜力等待挖掘。

1. 进一步提升光子数分辨能力

目前
，探测器能分辨32个光子
，但通过以下方法
，有望将这一指标进一步提升：

• 提高纳米线的开关电流：探测器目前采用的纳米线开关电流约为18 μA
  ，通过优化器件衬底、超导材料和纳米线制备工艺
  ，将开关电流提升至25-30 μA
  ，有望将光子数分辨能力提升至50以上
  ；

• 结合时空复用技术：时间复用技术已被证明能实现100以上的光子数分辨
  ，未来可以将空间复用与时间复用相结合
  ，在保持高计数率的同时
  ，进一步提升光子数分辨能力
  ；

• 利用脉冲的多维度信息：除了脉冲幅度
  ，脉冲的上升沿、下降沿等信息也包含了光子数的相关信息。未来
  ，可以通过分析这些多维度信息
  ，进一步提高光子数分辨的准确性和范围。

2. 拓展波长响应范围

目前
，探测器主要针对1550 nm通信波长进行优化
，但超导纳米线本身具备宽光谱响应特性
，未来项目团队可以通过调整纳米线的材料和结构
，拓展探测器的波长响应范围
，使其在可见光、近红外甚至中红外区域都能保持优异性能。

这将让探测器在更多领域发挥作用
，比如在生物医学领域
，可用于荧光成像实验中的光子计数
；在天文学领域
，可用于探测天体发出的红外光子
，助力天体物理研究。

3. 集成化与小型化

为了更好地适应量子实验的集成化趋势
，未来将优化探测器的封装工艺
，降低实验装置的复杂度
，推动PNR SNSPD的集成化与小型化
，让更多实验室能够便捷地使用高性能的PNR探测器
，推动量子光学实验的普及。

五、结语

从理论构想到实验验证
，从性能突破到实用化落地
，PNR SNSPD经历了无数次的尝试与优化
，终于打破了PNR探测器实用化的瓶颈
，为量子光学实验提供了一款性能卓越的工具。

在量子科技飞速发展的今天
，探测器技术的进步往往能推动整个领域的突破。PNR SNSPD将成为量子光学实验的重要工具
，助力科学家在量子计算、量子通信、量子计量等领域取得更多重大成果
，推动量子科技走向更广阔的未来。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508