超导微带光子数分辨探测器。图片来源：Kong （SIMIT）。

使用单光子作为量子比特已成为量子信息技术中的重要策略。准确确定光子的数量在各种量子系统中至关重要，包括量子计算、量子通信和量子计量。

光子数分辨检测器（PNRD）在实现这种精度方面起着至关重要的作用，它有两个主要的性能指标：分辨保真度，它测量准确记录入射光子数的概率，以及动态范围，它描述了最大可分辨光子数。

超导纳米带单光子探测器（SNSPDs）被认为是单光子探测的领先技术。它们提供近乎完美的效率和高速性能。

然而，在光子数分辨率方面，基于SNSPD的PNRD一直在努力在保真度和动态范围之间找到平衡。现有的阵列式SNSPD将入射光子划分为有限数量的像素，面临着保真度限制。因此，这些探测器被称为准PNRD。

当光子被吸收时，SNSPD的工作原理是破坏狭窄的、冷却的、偏置电流的条带的局部超导性。这会产生一个称为热点的局部电阻区域，产生的电流通过负载电阻器转移，产生可检测的电压脉冲。

因此，具有足够长超导条带的SNSPD可以看作是数千个元素的级联，同时激活不同元素的n光子应该会产生n个不重叠的热点。然而，传统的SNSPD与改进的低温读数相结合，只能分辨3-4个光子数，导致动态范围低。

SMSPD中的光子数分辨率：（a）脉冲激光照明下响应脉冲上升沿时间的直方图（点）和高斯拟合（线），有效平均光子数为2.5和5.1。颜色区域表示分解后的高斯函数。（b） 混淆矩阵，说明将 n 个检测到的光子分配给 m 个报告的光子的概率，其中对角线项表示光子数读出保真度。（c） 从0.05到5的不同有效平均光子数下脉冲上升沿时间分布重建的光子计数统计。测得的光子计数统计量（色条）与相干源的泊松统计量（虚线）密切相关。图片来源：Kong， Zhang， et al.， doi 10.1117/1.AP.6.1.016004，

据《先进光子学》报道，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的研究人员在增强SNSPD的光子数解析能力方面取得了进展。

通过增加条带宽度或总电感，他们能够克服读出电子器件中的带宽限制和时序抖动。这导致了拉伸的上升沿和改进了响应脉冲的信噪比，从而增强了读出保真度。

通过将超导条带扩大到微米尺度，研究人员首次使用超导微带单光子探测器（SMSPD）观测到高达10的真光子数分辨率。令人惊讶的是，即使不使用低温放大器，他们也取得了这些结果。4 光子事件的读出保真度达到令人印象深刻的 98%，6 光子事件的读出保真度达到 90%。

此外，研究人员提出了一种双通道定时设置，以实现实时光子数读出。这种方法将数据采集要求大大降低了三个数量级，并简化了读出设置。他们还通过创建基于对相干态奇偶校验的量子随机数生成器进行采样，证明了他们的系统在量子信息技术中的实用性。

该技术确保了不偏不倚、对实验缺陷和环境噪声的鲁棒性以及抗窃听性。

这项研究代表了PNRD领域的重大进展。随着SMSPDs检测效率的进一步提高，该技术可以很容易地用于各种光量子信息应用。这些结果凸显了SNSPD或SMSPD在实现高保真和大动态范围光子数分辨率方面的潜力。

更多信息：Ling-Dong Kong 等人，实现 10 个光子数分辨率的大电感超导微带光子探测器，Advanced Photonics （2024）。DOI： 10.1117/1.AP.6.1.016004

期刊信息： Advanced Photonics