近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院胡小龍教授課題組成功研制了一種具有分形結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測器（簡稱：分形SNSPD）。這一成果能夠為光量子計算、量子密鑰分發(fā)、遠距離空間光通信、光學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供性能優(yōu)異的單光子探測器。

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(fā)揮著至關(guān)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(shù)發(fā)展的不可或缺的核心器件。然而，傳統(tǒng)的單光子探測器或者受限于探測光譜范圍、響應(yīng)速度、信噪比，或者探測效率受限于光子的偏振態(tài)（光的極化方向）。研究團隊以自然界的分形幾何為靈感，設(shè)計出一種全新的分形納米線結(jié)構(gòu)，為偏振無關(guān)的高效率單光子探測開辟了新路徑。

分形納米線結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密。一方面，這種幾何結(jié)構(gòu)賦予了單光子探測器高效率探測任意偏振態(tài)入射光子的能力；另一方面，分形納米線結(jié)構(gòu)也對器件和芯片的微納加工工藝提出了很高的要求。為了實現(xiàn)設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)與功能，納米線的寬度要在40 nm，也就是人的頭發(fā)直徑的1/2500，而且加工出來的納米線必須邊沿光滑沒有缺陷。

研究團隊利用先進的納米加工技術(shù)，經(jīng)過多年的研發(fā)與工藝迭代，形成了穩(wěn)定的器件與芯片的微納加工流程。針對應(yīng)用場景，在多個工作波段研制出性能優(yōu)異的分形SNSPD器件、芯片、模塊、系統(tǒng)。

分形SNSPD的應(yīng)用前景非常廣闊。單光子探測器對光量子計算系統(tǒng)至關(guān)重要，能夠高效捕獲量子信息。研究團隊已經(jīng)與國內(nèi)多個單位合作，將分形SNSPD應(yīng)用于實驗量子光學(xué)以及對納米激光器的表征。此外，在光通信領(lǐng)域，新型探測器有望顯著提升光子所攜帶的信息的傳輸速度，降低信號損失，為超遠距離的空間光通信提供有力支撐。此外，該探測器還將在光學(xué)成像領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，特別是在醫(yī)學(xué)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。

研究團隊負責人胡小龍表示，分形SNSPD這項技術(shù)的成功不僅顯著提升了單光子探測器的性能，更是微納光電子器件與分形幾何的交叉融合，是從原始創(chuàng)意到實用化器件與系統(tǒng)全鏈條自主研發(fā)的創(chuàng)新實踐。團隊的下一步計劃是將分形SNSPD這一技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，以推動相關(guān)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。他強調(diào)，分形SNSPD的研發(fā)體現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)研究在解決應(yīng)用領(lǐng)域“痛點”問題中的重要性；科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，也是新質(zhì)生產(chǎn)力。