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单光子探测器的发展现状我国单光子探测器探测效率已超过90

2021-08-03 来源:永州机械信息网

把“命门”掌握在自己手中

作为国际战略新兴技术,量子信息领域面临着激烈的国际竞争,其核心元器件技术受到国际禁运的影响。高性能单光子探测器是量子调控中不可或缺的关键核心部件,也曾在国际禁运之列。

“光子是光的最小单元,一个10瓦的灯泡1秒钟可以发出约1020个光子。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)研究员尤立星博士向科技日报记者介绍,单光子探测技术就是探测一个光子的技术,代表光信号探测能力的极限。

单光子探测器对量子信息领域到底有多重要?尤立星打了一个比方:假设一颗水滴是水的最小单元,通常情况下水龙头打开水哗哗哗流出来,而量子调控就像用水龙头控制每一颗水滴滴下来,单光子探测器相当于探测到滴下来的每一颗水滴。“我们就要把探测到的单个光子转化为电信号,当前的探测水平是,如果发射100个光子,我们可以探测到90个。”

SNSPD特种兵与量子信息国家队的配合战

尤立星于2007年回国,在上海微系统所开展低温超导纳米线单光子探测器(SNSPD)技术的研发。该技术利用超导纳米材料对光敏感的特性,来实现对单个光子的探测。

单光子探测器的研发是一个非常复杂的系统工程,从材料生产、加工到系统集成必须从零开始探索。在还没有自主掌握SNSPD核心技术之前,我国进行量子通信试验所使用的单光子探测器,效率只有20%,且噪声极大,与国际最高水平相差甚远。缺乏高性能单光子探测器已经严重影响到我国量子信息领域科学家与国外同行的竞争。

尤立星表示,我国单光子探测器的起步和发展是从用户需求中探寻出科研方向,第一步就是要实现器件的实用性和可靠性。

在与中国科学技术大学微尺度国家实验室潘建伟院士团队的合作中,尤立星团队通过研发新型电路结构,提高了系统的稳定性与可靠性,并将其应用环境从实验室环境,做到适应于实际现场环境。2012年,我国自主研发的SNSPD第一次成功应用到城际量子密钥分发网络中。潘建伟在用户报告提到:“与国外同类型单光子探测器相比,上海微系统所研制的SNSPD系统基于机械制冷技术实现了即插即用,既大大提升了用户友好性能,又显着降低了应用成本,具有很好的推广价值。”

关键技术突破推动我国SNSPD科研迈向产业化

就在我国SNSPD从无到有,实现国内自主可控的同时,国际上单光子探测器技术水平也有了突飞猛进的发展。我国量子信息领域的快速发展也对SNSPD探测效率提出了更高需求。

尤立星介绍,2013年,美国采用硅化钨(WSi)材料研发的SNSPD探测效率最高可达93%,而我国当时采用氮化铌(NbN)材料制备的SNSPD探测效率只有4%。“WSi材料制备的器件需要比NbN更低的工作温度,因此低温制冷装备的成本也要成倍地增加。”尤立星团队坚持在利用NbN材料开展SNSPD研发的方向上继续前进。经过4年左右的钻研,2016年,团队终于在国际上率先实现NbN SNSPD器件在光纤通信1550纳米波长的探测效率超过90%,并持续保持NbN SNSPD器件效率世界纪录。

“背景暗计数抑制是降低探测系统噪声的关键。”尤立星讲到,所谓暗计数就是噪声,噪声越低,系统信噪比就越高。当时国外也有一些降低噪声的方法,但是这些方法同时也减弱了信号。“就像化疗在杀死癌细胞的同时也杀死了健康细胞。”团队对噪声的起源进行研究后发现,与芯片相连光纤的黑体辐射是背景噪声的主要来源。在此基础上,他们研发出片上集成低温滤波器和光纤端面低温滤波器两种暗计数抑制关键技术。

“新方法极大降低了杀死正常细胞的概率,专杀‘癌细胞’,是一种靶向治疗。”尤立星这样比喻。据悉,采用该方法的超低暗计数SNSPD系统探测效率可以在暗计数1赫兹条件下达到80%,居国际领先水平。目前该技术已获得了中、美、日三国专利授权。

在我国高性能SNSPD器件技术不断前进的过程中,潘建伟团队先后创造了404公里可抵御黑客攻击的光纤量子密钥分发、量子随机数发生器等多项国际领先的成果,量子密钥分发成果还入选“两院院士评选2014年中国十大科技进展新闻”。2015年,潘建伟再次提供用户证明:“上海微系统所研发的SNSPD系统彻底解决了我国高性能SNSPD技术的有无问题,性能指标达到了国际先进水平,为我国量子信息领域的可持续发展提供了关键技术支撑。”

SNSPD在效率等性能上的绝对优势能够推动其在量子通信、光量子计算、激光雷达、深空通信等多个领域拓展应用。在中科院新时期“面向国民经济主战场”的办院方针以及国家“双创”政策鼓励下,上海微系统所孵化成立了小型高科技公司,开展SNSPD技术的产业化运作。尤立星表示,目的是要解决国家的应用需求,通过市场化方式实现高科技的自我生存和技术迭代,在科研与产业之间搭建一座桥梁。

“月船2号”探测器成功发射

印度22日发射这个南亚国家第一艘“软着陆”登月飞船,作本月14日首次发射遇挫后第二次发射尝试。

遇“技术故障”延期后再度发射

“月船2号”月球探测器当地时间22日14时43分(北京时间17时13分)在南部安得拉邦斯里赫里戈达岛升空。

印度空间研究组织说,“月船2号”“比以往任何时候更强大”,“搭载10亿(印度)人梦想”前往月球。

“月船2号”14日点火升空前不足一个小时中止发射倒计时,印度空间研究组织事后给出的原因是运载火箭出现“技术故障”。谨慎起见,这一机构取消当天发射。

《印度时报》16日以一名参与发射任务的资深研究人员为消息源报道,取消发射是因为运载火箭发动机氦燃料组件泄漏。

发射“月船2号”的GSLVMK-III运载火箭是印度运载能力最大的火箭,有三级和两个助推器,能把4吨载荷送入地球同步转移轨道。

路透社21日援引多名专家的话报道,像发射“月船2号”这样复杂的发射任务可能会遇到多重挫折,与其做出可能破坏整个计划的冒险决定,推迟发射更为谨慎。

在印度观察家研究基金会太空政策部门主管拉杰斯瓦里·皮莱·拉贾戈帕兰看来,即便发现细小疏漏,也不能赌运气。

将搭载月球车在月球南极区域“软着陆”

“月船2号”“奔月”路程大约38.4万公里,耗时大约47天。印度空间研究组织说,“月船2号”预期9月7日在月球南极区域着陆。

作为印度第二个月球探测器,“月船2号”耗费资金相当于大约1.4亿美元(约合9.6亿元人民币)。探测器由月球轨道飞行器、着陆器和月球车组成,可收集水冰、岩石和土壤数据。

月球轨道飞行器将绕月飞行大约1年,拍摄月球表面的情形并研究月球大气的构成。着陆器能直接与地面控制中心以及轨道器和月球车通信,将搭载月球车在月球南极区域“软着陆”。月球车最大行驶路程500米,将收集月球图像和数据并回传。

2008年,印度首次发射月球探测器“月船1号”,做绕月飞行的同时释放探测器,在月球南极附近“硬着陆”,即撞击月球。

经由对“月船1号”所采集数据的分析,美国研究人员认定月球南极存在水冰。

“国家队”加速民间热兴起月球将成“第八大洲”?

历经数次推迟,印度第二个月球探测器“月船2号”终于在22日升空,飞往数十万公里外的那轮明月。同一天,中国国家航天局相关负责人表示,中方已与欧洲、俄罗斯有关部门初步达成共识,将共同牵头探讨国际月球科研站的规划论证工作。

这一轮探月热潮,恰逢人类第一次登上月球50周年。50年来,探月大军中除了各国“国家队”外,又迎来了民间机构,它们将共迎新的探月时代。

“国家队”加速奔月

从20世纪50年代开始,人类陆续向月球发射了100多次探测器或登月飞船。这两年,人类对月球的探索再度加速。

美国特朗普政府提出重返月球计划,并以希腊神话中的月亮女神“阿耳忒弥斯”为其命名。

俄罗斯航天集团去年3月宣布,计划两年内发射“月球25号”探测器,重启从苏联时代算起已中止了40余年的月球探测计划。同年11月,俄罗斯能源火箭太空公司公布了俄罗斯月球基地计划的建设路线图,根据该计划,俄罗斯宇航员将在2030年后登上月球。

印度曾于2008年10月成功发射首个月球探测器“月船1号”,获得大量图像和探测数据。“月船2号”是印度第二个月球探测器,如果它能按计划成功在月球南极区域着陆,印度将成为继俄罗斯、美国和中国之后第四个有探测器在月球着陆的国家。

今年年初,中国嫦娥四号实现了人类探测器首次月球背面软着陆。当时,中国国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华曾表示,2019年年底前后,中国将发射嫦娥五号,实现区域软着陆及采样返回;后续还将发射嫦娥六号等月球探测器,按计划执行月球极区探测和月球南极采样返回等;嫦娥七号计划执行月球南极综合探测,包括地形地貌、物质成分等。

民间探月热兴起

如今的探月已不只是“国家队”的行动。今年2月,由以色列一家私营机构主导制造的“创世纪”号月球探测器搭乘美国“猎鹰9”火箭,开启奔月之旅。这一世界上首个非国家发起的探测器登月任务虽然因技术故障失败,但拉开了民间机构探索月球的序幕。

今年5月,美国航天局宣布,已挑选出3家商业公司制造的月球着陆器,它们未来3年内将把美航天局的科学和技术载荷运送至月球表面,为2024年美国宇航员登月铺路。美国航天局同月还选择11家美国公司为“阿耳忒弥斯”计划研发载人登月系统。

据日本媒体报道,总部位于东京的日本航天初创企业ispace正在推进一项名为“HAKUTO-R”的计划,后续目标是开发月球南北两极可能蕴藏的“水资源”。

此外,被媒体报道较多的,还有美国太空探索技术公司打算开启商业太空旅行项目,送游客绕月飞行;沃达丰、诺基亚和奥迪等公司计划合作发射月球探测器并在月球上搭建首个4G网络……

太空旅游、太空采矿、太空移民、在轨制造和卫星服务业……这些曾经只是科幻的概念似乎正在逐步走向现实,太空产业正处于“变革边缘”,而私企将可扮演重要角色。也许有一天,月球将成为地球的“第八大洲”,低成本商业探月不再是梦想。

不少中外航天专家指出,目前国际合作已成为太空探索主流,如能集中全球智慧,可快速实现太空探索目标,化解技术风险,分摊经费,让各方受益。

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