Supraledande nanotrådsdetektorer (SNPD) är betydligt bättre på fotondetektionseffektivitet (DE) jämfört med sina halvledande motsvarigheter, och har möjliggjort många banbrytande tillämpningar inom kvantinformationsteknik. Ett team som leds av prof. Lixing You från Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Chinese Academy of Sciences (CAS) har demonstrerat tillverkningen och driften av en NbN-SNPD med systemdetekteringseffektivitet över 90 procent vid 2,1 K vid en våglängd på 1550 nm, vilket banar väg för praktisk tillämpning av SNSPD.

Resultaten publicerades nyligen på Vetenskap Kina Fysik, Mekanik och astronomi som en omslagsbildshistoria. Dr Weijun Zhang är den första författaren och Dr Lixing You är motsvarande författare.

Vid 1550 nm, som är den viktigaste våglängden för applikationer, den toppmoderna SNSPD gjord av WSi supraledare har nått ett DE-rekord på 93 procent, jämfört med InGaAs-detektor med DE ~30 procent. Tyvärr, WSi-SNPD fungerar vanligtvis vid temperaturer under kelvin, kräver dyra, användarovänlig kylutrustning.

Omfattande ansträngningar har gjorts för att utveckla SNSPD:er baserade på NbN som är inriktade på en driftstemperatur över 2K, tillgänglig för billiga och användarvänliga kompakta kryokylare. Med ett decenniums forskning, Detektionseffektiviteten för NbN-SNPD:er ökades gradvis till ~ 80 procent. Dock, ytterligare förbättringar har visat sig vara utmanande. Att uppnå DE över 90 procent kräver samtidig optimering av många faktorer, inklusive nästan perfekt optisk koppling, nästan perfekt absorption, och nästan enhetlig inre kvanteffektivitet. Tidigare försök att uppnå detta har mestadels varit resultatet av en process av försök och misstag.

Denna artikel rapporterade först ett NbN-SNPD-system baserat på en G-M kryokylare med systemdetekteringseffektivitet över 90 procent (vid mörkräkningshastighet på 10 Hz) vid 2,1 K vid en våglängd på 1550 nm. Enhetens effektivitet mättas till 92 procent när temperaturen sänks till 1,8 K.

Framgången för den här enheten är ett resultat av en integrerad distribuerad Bragg-reflektor (DBR) hålighet som erbjuder nästan enhetsdetektering vid gränssnittet, och genom systematisk optimering av NbN nanotrådens slingrande geometri. De gemensamma ansträngningarna gör det möjligt för forskare att samtidigt uppnå de stränga kraven på koppling, absorption och inneboende kvanteffektivitet. Dessutom, enheten uppvisar timing jitters ner till 79 ps, nästan hälften av tidigare rapporterade WSi-SNPD, lovar ytterligare fördelar i applikationer som kräver hög timingprecision. Enheterna har tillämpats på kvantinformationsgränsexperimenten vid University of Science and Technology i Kina.

SNSPD med nästan enhetlig detekteringseffektivitet i drift på en ekonomisk och användarvänlig kompakt kryokylare kommer att ge forskarna en kraftfull, tillgängligt verktyg, och banar väg för ytterligare genombrott inom kvantinformationsteknologi, såsom optisk kvantberäkning/simulering och kvantnyckelfördelning.