近日, 物理科学与技术学院量子光电实验室关于光子数目和光子能量可分辨的超导单光子探测器的实验工作发表在应用物理领域著名期刊Applied Physics Letters上. 物理学院2022级博士生代旭城为第一作者, 王轶文(西南交通大学)和郭伟杰(深圳量子院)为通讯作者.
超导单光子探测器在量子信息处理, 量子计算, 量子精密测量, 量子光学和天文探测等前沿领域有着重要应用. 而基于超导微波谐振器的动态电感探测器(KID)在(亚)毫米和光学波段表现出的优良性能, 使其成为超导探测器家族的重要组成. 在本工作中, 我们利用KID首次研究了多光子的能量分辨率, 并在实验上展示了对大约30个近红外波段光子的分辨.
图1. 超导动态电感单光子探测器的显微照片及光学对准装置
本实验中的KID探测器采用集总结构电路(图1), 由一个较大面积的交指电容(IDC)和一根细长的电感条并联构成, 金属层为15 - 40 nm厚的铝膜. 一个光纤耦合的透镜可以将入射光聚焦于电感条上, 以减少光子散射并提高探测效率. 通过测量谐振频率对外来辐射的灵敏响应, KID可以分辨吸收的光子数目和单光子能量. 图2给出了本工作的主要实验结果. 图2(左)为探测器响应脉冲幅度的统计图, 展示了探测器对光场的量子化吸收, 以及约12个光子的吸收峰, 整体上满足泊松分布. 从光子吸收峰的宽度可得到光子的能量分辨率(ΔEn), 我们首次发现多光子能量分辨率的平方正比于吸收的光子能量(nhν), 且斜率与铝膜的厚度相关, 这表明热声子损耗是影响能量分辨率的重要因素. 图2(右)展示了较高光功率时对约30个近红外波段光子的分辨, 这是当前KID在光学波段分辨光子数目最多的记录.
图2. 超导动态电感探测器对光子数目及(单)多光子能量的分辨
器件的设计, 测量和分析在西南交通大学完成, 器件的微加工制备在深圳量子研究院完成. 本工作受到国家自然科学基金面上项目(Nos. 61871333, 62001204, 11974290)和国家重点研发计划项目(No. 2022YFC2205000)的资助.
本文引用: Appl. Phys. Lett. 126, 012602 (2025).
本文题目: Photon number-resolving aluminum kinetic inductance detectors
本文链接: https://doi.org/10.1063/5.0234649
补充材料: https://ndownloader.figstatic.com/files/51371477
联系邮箱: qubit@swjtu.edu.cn
