超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector)作為高性能的單光子探測器，廣泛地應(yīng)用于量子信息、激光雷達(dá)、深空通信等領(lǐng)域，推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步。迄今為止，所有的SNSPD均只在地面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證。如果能在空間應(yīng)用中采用SNSPD，有望推動空間光學(xué)天文觀測、深空光通信、空間量子信息等技術(shù)的跨越式發(fā)展。而制約SNSPD空間應(yīng)用的主要因素是制冷技術(shù)。SNSPD通常需要在液氦(4.2K)以下溫區(qū)工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環(huán)制冷機(jī)。然而，這類制冷機(jī)采用油潤滑壓縮機(jī)，冷頭有運(yùn)動部件，且受到體積、重量功耗制約，無法實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用。
 

　　瞄準(zhǔn)空間應(yīng)用對高性能單光子探測技術(shù)的迫切需求，科研人員發(fā)展面向空間應(yīng)用的小型液氦溫區(qū)制冷機(jī)技術(shù)，并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合以實(shí)現(xiàn)可空間應(yīng)用的高性能SNSPD系統(tǒng)。2017年1月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)報(bào)道基于三級脈管加JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機(jī)，其JT的壓縮機(jī)尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英國格拉斯哥大學(xué)報(bào)道了可空間應(yīng)用的基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機(jī)，溫度只能達(dá)到4.2K。利用該制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了SNSPD系統(tǒng)，但性能有限(1310nm波長/暗計(jì)數(shù)KHz/探測效率僅20%)，與半導(dǎo)體探測器性能相當(dāng)【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。理化所梁驚濤團(tuán)隊(duì)和上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)合作開展面向空間應(yīng)用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā)。理化所研發(fā)出可實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的二級脈管+JT節(jié)流技術(shù)小型制冷機(jī)，無負(fù)載工作溫度可達(dá)到2.6K，微系統(tǒng)所研發(fā)了出高性能的SNSPD。團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻克一系列集成技術(shù)難題后，實(shí)現(xiàn)了1550nm工作波長探測效率超過50%的SNSPD系統(tǒng)【Optics Express 26: 2965 (2018)】，展示了SNSPD相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體單光子探測器在空間應(yīng)用中的性能優(yōu)勢及潛力。
 

　　2020年，理化所依托在空間制冷領(lǐng)域的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步優(yōu)化制冷機(jī)，降低制冷機(jī)的體積和工作溫度。同時(shí)，上海微系統(tǒng)所利用三明治結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線實(shí)現(xiàn)SNSPD 98%的效率紀(jì)錄【Optics Express 28: 36884 (2020)】。雙方在此基礎(chǔ)上再次合作，實(shí)現(xiàn)了最大探測效率93%的可空間應(yīng)用的超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)，刷新了我國保持了兩年多的系統(tǒng)探測效率紀(jì)錄。該成果對于SNSPD的空間應(yīng)用具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。
 

　　上海微系統(tǒng)所博士研究生胡鵬和理化所助理研究員馬躍學(xué)為論文第一作者，上海微系統(tǒng)所研究員李浩、尤立星以及理化所副研究員劉彥杰為論文通訊作者。研究工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、上海市啟明星項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃，以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的資助。