单光子探测器，是一种超低噪声的光电探测器，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子—光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数，在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用中，单光子探测器可以一展身手。在军事上，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式；单光子探测器也是超级计算机和量子计算机的核心部件。
　　近日，美国雷神BBN科技公司、麻省理工和美国空军实验室等单位联合发布了一种基于约瑟夫森结的单光子探测器，该成果以 Josephson junction infrared single-photon detector 为题，发表在 Science。

　　图1：可以探测单个光子的约瑟夫森结的示意图（图源：美国雷神BBN科技公司）
　　此研究成果是基于同一团队利用约瑟芬森结的微波探测器的基础上发展起来的（拓展 ☛ Lee, GH., Efetov, D.K., Jung, W. et al. Graphene-based Josephson junction microwave bolometer. Nature 586, 42–46 (2020).）。约瑟夫森结（Josephson junction）（名词解释>），也称为超导隧道结。
　　一般是由两块超导体夹以某种很薄的势垒层 ( 厚度 ≤ Cooper电子对的相干长度)而构成的结构，例如S(超导体)—I(半导体或绝缘体)—S(超导体)结构，简称SIS，一般为纵向结构，在其中超导电子可以通过隧道效应而从一边穿过半导体或绝缘体薄膜到达另一边。
　　在之前的研究中，约瑟夫森结主要用于高灵敏度磁强计、量子噪声限制微波参量放大器、高性能低温计算机中的快速单通量量子、以及超导量子计算机中的量子比特。
　　然而，在量子比特弛豫过程中，库伦对在光辐射作用下发生断裂，这种现象虽然使约瑟夫森结在以上的应用领域性能下降，但这种现象也为高灵敏度的光电探测提供了机会。在这个工作中，研究人员利用石墨烯作为中间的阻挡层构造了一种横向约瑟夫森结，如图2所示。不同于纵向的约瑟夫森结，横向结使光子可以直接辐照在石墨烯和超导体的界面处。

　　图2：横向约瑟夫森结的结构示意图（图源：Science / 图译：撰稿人 Joule）
　　研究人员采用脉冲激光产生单光子并辐照约瑟夫森结，光子能量可打破超导体中的库伯对，产生所谓的“噪声”，由于单层石墨烯具有极低的电子热容量，即便单光子引起的温度变化也可被探测到引起电压的变化，同时，石墨烯也具有极短的热时间常数，导致这种效应是瞬时发生的，能够快速将吸收的光信号转换成电信号，如图3所示。当这种单光子探测器应用于量子计算机时，可实现数据的快速复位或者读出。

　　图3 横向约瑟夫森结在暗态和100pW 近红外辐照下的开关性能（图源：Science）
　　该工作的通讯作者Kin Chung Fong（美国雷神BBN科技公司首席科学家，哈佛大学副教授，☛ 人物主页）评价说：“这种新型的约瑟夫森结对于量子计算至关重要，类似于现代电子学中的晶体管，这种新器件能够使量子计算的基本单元可通过单光子进行通信，提高了通信速度，有利于建立量子网络和传感系统。”
　　该技术的应用是光互连，它将光子转换为电信号，反之亦然。使用单光子探测器可以实现一种配置，即直接用光而不是电磁设备控制量子计算机。研究人员正在考虑如何通过光链路建立一个量子网络。此外，将光探测为单个量子，也可以探测光子本身的量子态。探究人员正在开发研究一种可以看到光子数状态的新探测器。这样的探测器将有助于保护通信链路免受窃听和攻击。
　　论文信息：
　　Science  23 Apr 2021: Vol. 372, Issue 6540, pp. 409-412
　　文章来源：中国光学