光量子信息处理核心器件研发取得突破

科技日报讯 （记者陈曦 通讯员尹伟）记者4月7日从天津大学获悉，该校精密仪器与光电子工程学院教授胡小龙课题组成功研制了一种具有分形结构的超导纳米线单光子探测器（以下简称“分形SNSPD”）。这一成果能为光量子计算、量子密钥分发、远距离空间光通信、光学成像等领域提供性能优异的单光子探测器。相关论文发表于国际期刊《IEEE量子电子学精选专题期刊》。

据介绍，单光子探测器是一种具有极限灵敏度的光电探测器，在捕捉和记录光信号方面发挥着至关重要的作用，是推动高灵敏探测、弱光成像、光量子信息处理技术发展不可或缺的核心器件。然而，传统的单光子探测器有种种局限，或受限于探测光谱范围、响应速度、信噪比，或受限于光子的偏振态（光的极化方向）。研究团队从自然界的分形几何中得到灵感，设计出一种全新的分形纳米线结构，为偏振无关的高效率单光子探测开辟新路径。

分形结构普遍存在于自然界，如树杈、雪花、蕨类植物的叶子等都属于分形结构。分形纳米线结构复杂而精密。这种几何结构赋予单光子探测器高效率探测任意偏振态入射光子的能力，也对器件和芯片的微纳加工工艺提出了很高要求。为了让器件实现设计的结构与功能，纳米线的宽度要控制在40纳米，也就是人的头发直径的1/2500，且加工出来的纳米线必须边沿光滑，没有缺陷。

经过多年研发与工艺迭代，研究团队利用先进的纳米加工技术，开发出稳定的器件与芯片微纳加工流程。针对不同应用场景，团队在多个工作波段研制出性能优异的分形SNSPD器件、芯片、模块、系统。

分形SNSPD的应用前景非常广阔。单光子探测器对光量子计算系统至关重要，能够高效捕获量子信息。研究团队已与国内多个单位合作，将分形SNSPD应用于实验量子光学以及对纳米激光器的表征等方面。此外，在光通信领域，分形SNSPD有望显著提升光子所携带信息的传输速度，降低信号损失，为超远距离的空间光通信提供有力支撑。该探测器还将在光学成像领域发挥重要作用，特别是在医学诊断中，能够提供更高的分辨率和更清晰的成像效果，助力早期诊断和精准治疗。

胡小龙表示，分形SNSPD不仅显著提升了单光子探测器的性能，还是微纳光电子器件与分形几何交叉融合的成果，是从原始创意到实用化器件与系统全链条自主研发的创新实践。下一步，团队计划将分形SNSPD推向产业化，以推动相关领域和产业发展。