一個單光子探測器的長三角協同創新之旅

如果把刷新光量子資訊技術世界紀錄的量子計算原型機“九章三號”打開，會看到近10個圓柱形“小冰箱”，每個“小冰箱”裏精心排布著10多個比指甲蓋兒略大、帶著光纖“小辮子”的金屬模組。

“這些模組名為超導單光子探測器，是‘九章三號’中捕捉並識別單個光子的‘眼睛’。”中國科學院上海微系統與資訊技術研究所研究員尤立星告訴記者，在上海誕生，到浙江封裝，再到安徽應用，每個單光子探測器都會經歷一場長三角協同創新之旅。

對於光量子計算來説，“火眼金睛”非常重要。尤立星説，光量子計算是用光子的不同量子態來表達運算中的“0”或“1”，要獲得運算結果就要識別其中的每一個光子。一個10瓦的小燈泡每秒鐘釋放的光子數以萬億億計，一個光子的微弱程度可想而知，單光子探測器需要非常精準。

  尤立星在實驗室為記者介紹單光子探測器。 新華社記者董雪 攝

記者採訪了解到，2020年，尤立星團隊刷新了光子探測效率的世界紀錄，探測效率達到98%，可以簡單理解為100個光子一個一個傳輸過來，其中98個都能被精準探測。

科研追求的是極致，而應用需要規模化普及。採訪中，國家需求、應用導向給記者留下了更深的印象。尤立星團隊與中國科學技術大學潘建偉團隊的合作始於10多年前，那時候尤立星和同事經常上海、合肥兩地跑。

“單光子探測器對環境非常敏感，我們需要根據應用環境做出調整。”尤立星説，“‘九章三號’需要100多個高效率單光子探測器，在實驗室環境裏實現一個高效率的單光子探測器不難，難的是做出一批，而且可以適用於各種應用環境。”

團隊在一致性、適用性和降低使用門檻方面下了大功夫。例如，單光子探測器之所以要被整合在“小冰箱”裏，那是因為其使用的超導材料需要在接近絕對零度的環境下工作。團隊選擇了工作溫度相對較高的一款超導材料，以此縮小“冰箱”的尺寸，降低使用門檻。

再如，為了實現單光子探測器的批量化供貨能力，團隊在毗鄰上海的浙江嘉善打造了一條封裝整合生産線。單光子探測器在這裡被裝進“小冰箱”，然後再運往安徽合肥。

  應用在“九章三號”中的一台超導單光子探測器。（受訪者供圖）

在中國科學院上海微系統與資訊技術研究所的實驗室裏，記者看到了10余種研製中的單光子探測器。“上海有非常強的科技實力，嘉善有製造的成本優勢，合肥在持續探索量子科技前沿。”尤立星表示，長三角協同創新持續助力量子科技攀登科技高峰，團隊將繼續圍繞應用需求推動單光子探測技術演進。（記者董雪、屈彥）