基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发辐射计算模型,理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性.首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号,为优化设计红外系统提供了依据.并且基于超导单光子探测器的光子计数能力,研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响,并优化了光学系统的性能.实验结果表明,超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度,最小可分辨移动距离为2.74×10^(-2)mm,在黑体温度为100℃时,光子计数率提高了6.4×10^(4)cps(1 cps=1 cycle per second),光学系统的耦合效率提升了97%;在黑体温度为102℃时,光子计数率提高了9.1×10^(4)cps,光学系统的耦合效率提升了114%,降低了杂散辐射对探测系统的影响,同等条件下系统信噪比提升2.7倍,对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。

基于光子数可分辨探测器的单脉冲光子数检测

为了对未知脉冲所含的光子数进行标定,针对不同光子数的光脉冲在超导环境下,微波动态电感探测器(MKID)作用时,测量系统输出的信号差异性,采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别;经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单,迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。

超导纳米线单光子探测系统的时间抖动

超导纳米线单光子探测(SNSPD)器件具有较低的时间抖动特性,可以实现低误码率的QKD和高精度的激光测距。文中对超导纳米线单光子探测系统的时间抖动进行了详细的分析和测量,分析了SNSPD系统各部分对系统抖动的贡献。使用时间相关的单光子计数技术(TCSPC)和示波器的抖动分析软件,分别测量了SNSPD系统的时间抖动,比较了两种方法的优劣。在两种测量方法下,系统总的时间抖动分别约为42ps和31ps,计算后得到单光子探测器件的抖动约为25ps。发现放大器的性能对系统时间抖动影响明显。通过使用不同放大器比较分析了测量得到的时间抖动。

单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。

超导约瑟夫森结微波单光子量子态测量的研究

超导状态下用约瑟夫森结构成的微波单光子探测电路测量量子系统状态,定量分析并探讨约瑟夫森结的量子特征,作为一种新兴的固态量子位状态测量系统,对未来的量子信息理论与量子位的研究有着显著的帮助.

超薄超导材料特性及应用

介绍和讨论低温和高温超导超薄材料的制备及超导特性,并和普通非超薄超导材料特性相比较。超薄超导材料可以用于制备超导单光子探测器(Supercon ducting Single Photon Detector,简称SSPD)和超导热电子测辐射热仪(Superconducting Hot Electron Bolometer,简称SHEB)。详细分析并讨论其应用。

SSPD的低抖动SFQ信号读数

运用单磁通量量子(SFQ)读取技术的超导单光子探测器(SSPD)可以实现低抖动信号的读出。通过优化SFQ读出电路的电路参数,输入电流灵敏度被改善到10μA以下,且该结果比SSPD典型的临界电流小。实验使用脉冲发生器作为输入脉冲源,结果显示测出的SFQ读出电路的抖动值远低于目前测量装置系统超过15μA的抖动电流值。SSPD连接到SFQ读出电路的测量抖动值在37 ps的半高全宽(FWHM)时的SSPD偏置电流约为18μA,这是对传统的没有SFQ读出电路,抖动为67 ps的FWHM的显著提高。

SNSPD二十年:回顾与展望

21世纪初,GOL’TSMAN等人开启了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)这一研究领域。历经整整20年的发展,SNSPD已经成为综合性能优异的单光子探测器,被广泛用于量子与经典的弱光探测。本文从性能指标、器件物理、薄膜材料、器件结构、加工工艺、光学耦合、信号读出、制冷系统、应用演示等9个方面,回顾了过去20年里SNSPD的重要研究进展;在此基础上,展望和评述了未来可能的研究与发展方向。

低温互联柔性线的研制

为实现室温与低温系统之间的跨温区互联,自主设计并研制了一款低漏热的可适用于液氦温区及跨温区互联的柔性线。低温4.2 K时,数据传输速率≥19 Gbps,40 K至4.2 K温区内30 cm长柔性线漏热值为102μW,漏热性能优于商用同类线缆。多通道柔性线成功应用于32像素超导纳米线单光子探测器系统,可实现低温同轴线缆的替代。