应用于弱光探测的热敏超导谐振器-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 7 (2014) 070701 综 述 应用于弱光探测的热敏超导谐振器∗ 周品嘉 王轶文 韦联福 1)(西南交通大学, 物理科学与技术学院, 量子光电实验室, 成都 610031) 2)(中山大学, 物理科学与工程学院, 光电材料与技术国家重点实验室, 广州 510275) ( 2013 年12 月8 日收到; 2013 年12 月19 日收到修改稿) 近几十年来, 超导单光子探测技术被越来越广泛的应用于量子必威体育官网网址通信与线性光量子计算等重要领域 中. 其中, 基于超导共面波导谐振器的单光子技术以其结构简单, 高探测效率及可分辨光子数目等特性吸引 了人们越来越多的关注. 随着科研工作者对样品制备工艺的不断改进, 对选用超导薄膜材料的不断优化, 以 及对相关背景理论的深入研究, 共面波导谐振器单光子探测技术在近几年中取得了巨大的突破. 本文将从共 面波导谐振器单光子探测器的工作原理, 相关理论研究, 样品参数设计等方面出发, 结合本实验室近期测试得 到的实验结果, 对共面波导谐振器单光子探测技术的发展近况进行简要的综述. 关键词: 低温超导, 弱光探测, 共面波导谐振器 PACS: 07.20.Mc, 74.78.–w, 84.40.Dc, 85.25.–j DOI: 10.7498/aps.63.070701 pairs), 从而使超导膜片的局部乃至全部由超导态 1 引 言 向正常态转, 并由此引发一个可观测的信号进行 读取与测量. 由于库珀对的结合能一般约为meV 除了被广泛应用于电路量子电动力学系 量级, 而半导体的能隙一般为几个eV, 所以超导探 统[1−3] 中的超导量子比特耦合器和量子态读取器 测器的灵敏度大约是传统半导体探测器的1000 倍. 外, 超导共面波导谐振器(superconducting copla- 其次, 当超导金属膜工作在其转变温度(T ) 以下 c nar waveguide resonator, CPW) 也是一种值得关 时, 极低的表面阻抗会降低Johnson 噪声, 使得这 注的光子灵敏探测器件. 因为其对单光子信号具 种超导器件容易与低阻抗读出电路进行匹配耦合 有较高探测效率, 且可以实现光子数目的分辨, 从 (例如对微小电感变化敏感的SQUIDs 电路), 这为 而在近几年中被广泛的应用于弱光探测[4] , 量子密 后续信号的测量与读取提供了极大的便利. [5] [6] 钥分配 以及线性量子光学计算 等领域中. 相 早在1994 年, Watanabe 等便讨论过在使用氮 对于传统半导体单光子探测器(光电倍增管, 雪崩 化铌(NbN) 薄膜作为超导共面波导谐振器的过程 光电二极管等)[7−9] , 超导探测器的优势在于对单 中, 样品的设计尺寸参数(如超导膜片的厚度d, 中 个光子信号探测灵敏度的极大提升以及易于耦合 心线宽w , 衬底厚度h 等) 会对超导薄膜的动态电 后续的读出电路. 超导探测器光子探测的基本原 感(L ), 中心谐振频率(f ) 以及共面波导谐振器表 s