近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授胡小龍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（以下簡稱“分形SNSPD”）。這一成果能為光量子計算、量子密鑰分發(fā)、遠(yuǎn)距離空間光通信、光學(xué)成像等領(lǐng)域提供性能優(yōu)異的單光子探測器。相關(guān)論文發(fā)表于國際期刊《IEEE量子電子學(xué)精選專題期刊》。

據(jù)介紹，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)展不可或缺的核心器件。然而，傳統(tǒng)的單光子探測器有種種局限，或受限于探測光譜范圍、響應(yīng)速度、信噪比，或受限于光子的偏振態(tài)（光的極化方向）。研究團(tuán)隊從自然界的分形幾何中得到靈感，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新路徑。

分形結(jié)構(gòu)普遍存在于自然界，如樹杈、雪花、蕨類植物的葉子等都屬于分形結(jié)構(gòu)。分形納米線結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密。這種幾何結(jié)構(gòu)賦予單光子探測器高效率探測任意偏振態(tài)入射光子的能力，也對器件和芯片的微納加工工藝提出了很高要求。為了讓器件實現(xiàn)設(shè)計的結(jié)構(gòu)與功能，納米線的寬度要控制在40納米，也就是人的頭發(fā)直徑的1/2500，且加工出來的納米線必須邊沿光滑，沒有缺陷。

經(jīng)過多年研發(fā)與工藝迭代，研究團(tuán)隊利用先進(jìn)的納米加工技術(shù)，開發(fā)出穩(wěn)定的器件與芯片微納加工流程。針對不同應(yīng)用場景，團(tuán)隊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(tuán)隊已與國內(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等方面。此外，在光通信領(lǐng)域，分形SNSPD有望顯著提升光子所攜帶信息的傳輸速度，降低信號損失，為超遠(yuǎn)距離的空間光通信提供有力支撐。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(zhǔn)治療。

胡小龍表示，分形SNSPD不僅顯著提升了單光子探測器的性能，還是微納光電子器件與分形幾何交叉融合的成果，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。下一步，團(tuán)隊計劃將分形SNSPD推向產(chǎn)業(yè)化，以推動相關(guān)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。