超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)200303综述超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展冰张青雅)2)董文慧)2)何根芳)2)李铁夫)2)刘建设)2)陈炜i)2)t1)(清华大学，清华信息科学与技术国家实验室，北京100084)2)(清华大学微电子与纳电子学系，微电子学研究所，北京100084)(2014年4月27日收到；2014年6月5日收到修改稿)量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求，高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注．与传统的单光子探测器相比，超导转变边沿(TES)单光子

2、探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势．目前，超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中，未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用．本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述．关键词：量子信息，超导探测器，单光子探测器，超导转变边沿传感器PACS：03．67．一a，85．25．Pb，07．20．McDOI：10．7498／aps．63．200303热探测器构成天文宇宙学实验中的探测焦平面，用1引言来探测宇宙中的毫

3、米波和微米波】_作为探测x射线和1，射线等高能光子的TES微量能器，应用在超导转变边沿探测器是采用超导转变边沿传高能物理和核辐射探测等领域[10,11]．感器(transitionedgesensor，TES1作为温度计的除了上述应用外，该类探测器也可以用作近红一类低温超导探测器【1J．偏置在正常态至超导态转外、可见光和紫外波段的单光子探测器[12,13】，也就变区域内的一层超导薄膜，利用其在转变区域内陡是本文介绍的超导TES单光子探测器．与传统的峭的电阻一温度(R．)关系，可以作为高灵敏的温单光子探测器相比[14,15]，超导TES单光子探测器度计

4、使用．为了降低探测器的噪声，TES温度计通具有能量分辨特性好[16】、探测效率高[17,18】、暗计数常采用超导转变温度(transitiontemperature，)低[19,20】、可分辨光子数[13,20]等优点．因此，它在量为几百mK的超导薄膜．TES温度计采用的电压偏子光学、量子密钥分配fquantumkeydistribution，置给系统引入了电热负反馈[1)2】，使超导TES探测QKD)、量子密码学、线性光学量子计算等量子信息器在噪声特性、响应线性度、响应速度等方面与采研究领域[21,22]具有非常重要的应用价值．以对高用其他温度计技

5、术的热探测器相比具有明显的优性能单光子探测器需求强烈的QKD系统为例，该势[0，引．此外，超导TES探测器还具有适用波长范类系统现在采用比较多的是InGaAs／InP雪崩光电围广[]、易开发单片集成探测器阵列[】并可用超导二极管单光子探测器．该类探测器在1550am通信量子干涉(superconductingquantuminterference波长处较低的探测效率f约20％)和很高的暗计数device，SQUID1放大器对探测器阵列实现复用读率(百赫兹量级)，将QKD系统的传输距离限制在出[67】等特点．因此，该类探测器在近十多年来被100km左右

6、[23]．而超导TES单光子探测器可以通广泛应用于较长波段范围内的光探测，如作为辐射过集成光学谐振腔等方法使器件在1550am波长国家重点基础研究发展计划(批准号：2011CBA00304)和清华大学自主科研计划(批准号20131089314)资助的课题十通讯作者．E—mail：weichen@tsinghua．edu．cn-@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．c礼200303．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)200303处的探测效率接近1

7、00％，并具有几乎可以忽略的TES温度计，用于近红外、可见光和紫外等波段具暗计数率f几个赫兹以下)_22_．采用超导TES单光有单光子探测灵敏度的一类低温超导热探测器．子探测器有望使QKD系统的传输距离更远、传输不同研究小组开发出的TES单光子探测器采速率和安全性更高．目前，超导TES单光子探测器用的超导薄膜材料不同，但在器件结构上却是相似已经成功应用于QKD系统中[23,241，也在一些量子的．探测器的核心是由一层生长在硅衬底上、尺寸光学实验中发挥出了重要作用[25,26】．在20p．m×20m左右、厚度为几十纳米的超导薄近年来，国内研究同行在其他

8、类型的低温超膜．在薄膜的两端施加恒定电压由于低温下薄膜导探测器研究方向上己取得不少进展．如南京大中电子与声子