成果推介：超导纳米线单光子探测器与成像器

超导纳米线单光子探测器与成像器

1. 市场应用前景

单光子探测器的市场应用前景广泛且充满潜力，主要体现在以下几个领域：

(1) 量子通信：单光子探测器是量子密钥分发(QKD)的核心组件，能够提高通信的安全性，预计随着量子通信技术的发展，市场需求将不断增长。

(2) 量子计算：在量子计算中，单光子探测器用于量子比特的读出和量子态的测量，是实现可扩展量子计算的关键。

(3) 生物成像：在生物医学领域，单光子探测器可用于高灵敏度的荧光成像和光谱分析，提升了疾病诊断的精确度。

(4) 天文学：用于探测来自遥远天体的微弱光信号，帮助科学家进行深空探索和宇宙研究。

(5) 激光雷达(LiDAR)：在远距离弱目标探测中，单光子探测器能够提高探测精度和距离，为高分辨三维成像提供支持。

(6) 安全监控：在安全和监控系统中，单光子探测技术可以增强探测能力，特别是在低光照条件下。

2. 痛点问题

单光子探测技术是一种能够有效探测单个光子(光的基本粒子)的技术，广泛应用于量子通信、量子计算和生物成像等领域。该技术依赖于高度敏感的探测器，通过这些探测器，可以实现对弱光信号的精确测量，提供高时间分辨率和高探测效率。这使得单光子探测器成为研究量子现象和实现量子信息处理的关键工具，也成为提高经典光电探测能力的有效手段。

3. 解决方案

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)利用超导纳米线在低温下的超导特性工作，具有极高的探测效率(可达99%)、低暗计数率和皮秒级时间分辨率，广泛应用于量子通信、量子计算、生物成像和激光雷达等领域，是现代光学和量子技术的重要工具。

依托南京大学在超导电子学研究方向长期技术积累，可提供高性能超导纳米线单光子探测器(SNSPD)与成像器(SNSPI)，满足量子通信、生物成像、远距离探测等光电应用场景。

4. 竞争优势分析

(1) 高效率与高速度单光子探测：四象限结构SNSPD的探测效率超过90%，并可达到1.6G光子/秒的探测速度，满足高速通信、高动态成像等多种应用场景需求。

(2) 光波导混合集成单光子探测器：混合集成技术，解决了超导探测器与半导体光波导的异质加工难点。波导混合集成SNSPD能够与多种光量子集成芯片架构兼容，如硅、氮化硅和铌酸锂，提供更大的灵活性，适应不同的应用场景。通过采用横向纳米线排布方式，波导混合集成SNSPD的最高效率可达99.9%。

(3) 超导纳米线延迟线成像器件：采用延迟线读出逻辑的成像器SNSPI突破了低温读出电路的限制，高占空比使得探测效率在1550nm高达50%以上，像素规模为32×32。SNSPI工作在事件触发的脉冲读出模式，突破传统帧扫描的速度限制，满足高分辨率、高速成像需求。

相关论文与专利：

[1] Hao, H., et al., A compact multi-pixel superconducting nanowire single-photon detector array supporting gigabit space-to-ground communications.  Light Sci Appl 13, 25 (2024).

[2] S.-Y. Ru, H. Hao, et al., Ultrawide Dynamic Sensing from Single-Photon Counting to Linear Detection Using a Segmented Superconducting Nanowire.  Laser Photonics Rev 2024, 2400483.

[3] 赵清源等.一种可级联的波导集成单光子探测器:CN202410052355.9 [P]. 2024-04-12.

[4] Zhao, QY., et al. Single-photon imager based on a superconducting nanowire delay line.  Nature Photon 11, 247–251 (2017).

5. 发展规划

面向量子信息、星地激光通信、生物成像与检测等光电探测场景，推广高性能超导单光子探测器的产业化应用。

6. 知识产权

掌握超导纳米线探测器芯片制备、封装、电路结构设计等自主知识产权。