近日，天津大学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）。该成果能够为光量子计算、量子密钥分发、远距离空间光通信、光学成像等领域的应用提供性能优异的单光子探测器。相关研究成果日前发表在《IEEE量子电子学精选专题期刊》上。
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的不可或缺的核心器件。然而，传统的单光子探测器或者受限于探测光谱范围、响应速度、信噪比，或者探测效率受限于光子的偏振态（光的极化方向）。
对此，研究团队以自然界的分形几何为灵感，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了新路径。
胡小龙表示，分形纳米线结构复杂而精密。一方面，这种几何结构赋予了单光子探测器高效率探测任意偏振态入射光子的能力；另一方面，分形纳米线结构也对器件和芯片的微纳加工工艺提出了很高的要求。为了实现设计的器件结构与功能，纳米线的宽度不能超过40纳米，即人的头发直径的1/2500，而且加工出来的纳米线必须边沿光滑，没有缺陷。
研究团队利用先进的纳米加工技术，经过多年的研发与工艺迭代，形成了稳定的器件与芯片的微纳加工流程。针对应用场景，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。
据悉，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。研究团队已经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。在光通信领域，新型探测器也有望显著提升光子所携带的信息的传输速度，降低信号损失，为超远距离的空间光通信提供有力支撑。此外，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技术的成功，不仅显著提升了单光子探测器的性能，更是微纳光电子器件与分形几何的交叉融合，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。团队的下一步计划是将分形SNSPD这一技术推向产业化，以推动相关领域和产业的发展。
相关论文链接：https://doi.org/10.1109/JSTQE.2024.3522176
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