Superconducting single-photon detectors for integrated quantum photonics
Bauman Moscow State Technical University（鲍曼莫斯科国立技术大学）；Dukhov Automatics Research Institute (VNIIA)（杜霍夫自动学研究院）
本文综述了超导纳米线单光子探测器在集成量子光子学中的发展，涵盖器件架构、材料工程及集成策略的进展，并讨论性能基准、新兴设计及未来挑战。
2026-05-14 physics.optics quant-ph
Waveguide photon-number-resolving detectors for quantum photonic integrated circuits
量子光子集成电路是利用光子进行可扩展量子处理的一种很有前途的方法。基于超导纳米线的波导单光子探测器（WSPD）最近已被证明与单光子源兼容，用于单片集成。虽然标准WSPD提供单光子灵敏度，但更复杂的超导纳米线结构可以配置为具有光子数分辨能力。在这项工作中，我们提出了波导光子数分辨探测器（WPNRD）的GaAs/Al 0.75 Ga 0.25 As脊波导的基础上的串联的纳米线。0-4个光子的检测已经用具有单个电读出的四线WPNRD证明。在1310 nm处，TE偏振的器件量子效率约为24%.
2013-08-21 physics.optics quant-ph
High quantum-efficiency photon-number-resolving detector for photonic on-chip information processing
集成光路是实现复杂量子光态和信息网络的一种很有前途的结构。这些应用中的许多应用所需的一个元件是能够区分光子数的高效光子检测器。我们提出了一个集成的光子系统，在电信波段在1550 nm的基础上紫外写入硅基二氧化硅波导和修改过渡边缘传感器能够数分辨率和超过40%的效率。利用这些器件的模式传输故障，我们将三个检测器串联复用，以证明单次通过的组合检测效率为79% +/- 2%，在片上终端反射光栅的工作波长下为88% +/- 3%。此外，我们的光学测量清楚地表明，由于散射或反射，该系统中没有明显的不明原因的损失。因此，这种波导和探测器设计允许在光子电路内的任意位置放置具有可预测效率的数分辨单光子探测器-这一能力为许多量子光学应用提供了巨大的潜力。
2013-05-28 physics.optics quant-ph
Superconducting Nanowire Single Photon Detector on Diamond
在金刚石衬底上直接制备了超导纳米线单光子探测器（SNSPD），并对其光电特性进行了表征。在不同温度下测量1310nm和632nm光子的暗计数性能和光子计数率。报道了制备适合于薄膜超导层沉积和图形化的金刚石衬底表面的方法。使用这种方法，获得具有小于300 μ m RMS表面粗糙度的金刚石衬底。
2014-01-17 physics.optics quant-ph
Monolithic photonic chips for multi-channel frequency mixers and single photon detectors
钛酸锂光子芯片凭借其优异的光学性能，可以实现多种应用的光学工程。在这封信中，我们展示了单片光子芯片的多通道和频转换的基础上，反向质子交换周期性极化的锂硼酸盐波导，与不同的渠道表现出一致的和优秀的转换效率。为了获得强大的设备并为应用提供方便的接口，集成芯片与两个光纤阵列进行光纤耦合。然后，封装的芯片形成多通道上转换单光子探测器的核心。在每个通道中，输入信号与1950 nm单频泵浦激光器相互作用，并通过硅雪崩光电二极管对和频输出进行光谱滤波和检测。平均探测效率（DE）为23.2%，噪声计数率（NCR）为557计数每秒（cps），30个通道的标准偏差为2.73%和48 cps，以及邻近通道之间的光隔离（OI）大于71 dB，这对于单片光子芯片在深空激光通信、高速率量子密钥分发和单光子成像等领域的广泛应用是极好的。
2020-03-13 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Estimating the photon-number distribution of photonic channels with realistic devices and applications in photonic quantum information processing
在量子信息处理的许多应用中，表征未知光量子信道的输入-输出光子数分布是一项重要的任务。理想情况下，这将需要确定性光子数源和光子数分辨探测器，但这些技术仍在进行中。在这项工作中，我们提出了一个通用的方法来严格约束的输入输出光子数分布的一个未知的光通道使用标准的光学设备，如相干光源和非光子数分辨探测器/零差探测器。为了证明我们的方法的广泛实用性，我们考虑的安全性分析的实际量子密钥分发系统的基础上校准的单光子探测器和实验建议，实现时间相关的单光子计数技术，使用零差探测器，而不是单光子探测器。
2021-09-11 quant-ph
On-chip, photon-number-resolving, telecom-band detectors for scalable photonic information processing
集成是目前实现可扩展光子量子处理设备的唯一可行途径，这些设备足够复杂，可以真正用于计算，计量和模拟。嵌入式片上检测对此类设备至关重要。我们展示了一个集成的光子数分辨检测器，在电信频段在1550 nm，采用渐逝耦合设计，使其能够放置在任意位置内的平面电路。在引导光学模式中，通过从倏逝场吸收到钨过渡边缘传感器中来分辨多达5个光子。检测效率为7.2 \pm 0.5%。实验还证明了该探测器的偏振灵敏度。设备设计的详细建模显示了达到高检测效率的明确可行的路线。
2011-07-27 physics.optics quant-ph
Interfacing superconducting nanowire single photon detectors with cryogenic opto-electronics for quantum photonic applications
本研究开发了基于SiGe-BiCMOS平台的低温定制电路，实现了4K及以下温度下商用超导纳米线单光子探测器与低温恒温器内有源光子器件的原位对接，并通过光读出、低延迟前馈调制等实验验证了方案可行性。
2025-01-14 quant-ph
A Bi-CMOS electronic-photonic integrated circuit quantum light detector
本文报道一种采用250nm Bi-CMOS工艺的单片电子-光子集成零差探测器，通过抑制电容实现19.8GHz带宽和15dB散粒噪声抑制，优于宏观互连方案，展示了CMOS集成提升量子光子学性能。
2023-05-15 quant-ph
Monolithic high density integrated photonics on bulk lithium niobate
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
研究人员开发体块铌酸锂衬底上非晶硅碳化的单片光子平台，打破成本-性能-规模化权衡，实现创纪录电光调谐效率，提升调谐能力。
2026-08-18 physics.optics quant-ph
Quantum interference in heterogeneous superconducting-photonic circuits on a silicon chip
量子信息处理为有效地通信和计算数据提供了巨大的希望。然而，将当前的光子实现方法扩展到更大的系统尺寸仍然是实现破坏性量子技术的一个突出挑战。量子信息处理器的两个主要组成部分是量子干涉和单光子探测器。在这里，我们开发了一个混合超导光子电路系统，以显示这些元素可以在硅芯片上以可扩展的方式组合。我们证明了这种方法的适用性集成量子光学干涉和检测光子对直接在芯片上波导耦合单光子探测器。使用氮化硅纳米光子波导实现的定向耦合器，我们观察到97%的干涉可见度时，测量光子统计与两个单片集成的超导单光子探测器。光子电路和探测器的制造工艺与标准的半导体薄膜技术兼容，使得在硅芯片上实现更复杂和更大规模的量子光子电路成为可能。
2015-11-22 cond-mat.supr-con physics.optics quant-ph
Waveguide single-photon detectors for integrated quantum photonic circuits
编码在单光子上的量子比特（qubit）的产生、操纵和检测是量子通信和光学量子信息处理的核心。单光子源、无源光学电路和单光子探测器的组合使得量子中继器和量子比特放大器成为可能，并且还形成了全光量子门和线性光学量子计算的基础。然而，将源、波导和检测器单片集成在同一芯片上，需要缩放到有意义的量子位数，这是非常具有挑战性的，之前关于量子光子电路的工作已经使用了外部源和检测器。本文提出了一种在半导体芯片上实现全集成量子光子电路的方法，并演示了这种电路的关键部件--波导单光子探测器。我们的探测器基于GaAs脊波导上的超导纳米线，在电信波长下提供高效率（20%），高定时精度（60 ps），响应时间在ns范围内，并且完全兼容单光子源，无源网络和调制器的集成。
2011-08-25 quant-ph
Silicon photonics-integrated time-domain balanced homodyne detector in continuous-variable quantum key distribution
本文设计并实验验证了硅光子集成TBHD，采用新型可调光衰减器实现86.9 dB共模抑制比，并以99.97%保真度完成相干态量子层析，证明其可用于GG02协议CVQKD芯片集成。
2023-05-05 quant-ph
Nanowire-based Integrated Photonics for Quantum Information and Quantum Sensing
本文综述纳米线量子点单光子发射器与超导纳米线单光子探测器的原理、材料、制备及应用，展望集成量子光子学趋势并提出实验方向。
2023-07-18 physics.optics quant-ph
Compactly packaged superconducting nanowire single-photon detector with an optical cavity for multichannel system
我们研制了用于多通道系统的超导纳米线单光子探测器（OC-SNSPD）。为了有效的耦合，设备被安装在紧凑的光纤耦合封装后，其基板厚度从400减少到45 $μ$ m。在不同衬底厚度下测量的检测效率（DE）测量和光学耦合效率的估计表明，~98%的输入光束可以从衬底后面辐射在15 × 15 $μm^2$纳米线区域上。观察到NbN OC-SNSPD系统在1550 nm和1310 nm处的DE分别为9.5%和25%（暗计数率：100 c/s）。
2010-02-28 cond-mat.supr-con physics.optics quant-ph
Travelling-wave single-photon detectors integrated with diamond photonic circuits - operation at visible and telecom wavelengths with a timing jitter down to 23 ps
我们报道了集成多晶金刚石光子电路的行波超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的设计、制备和测量。我们分析了它们在1600 nm和765 nm附近的近红外波长范围内的性能。近红外探测对于与电信基础设施的兼容性是重要的，而在可见光波长范围内的操作对于与金刚石中的硅空位中心的发射线的兼容性是相关的，金刚石中的硅空位中心可以用作有效的单光子源。我们的探测器具有高临界电流（高达31 μA）和高效率（在765 nm时高达74%）、噪声等效功率（在765 nm时低至4.4*10^-19 W/（Hz^1/2））和定时抖动（低至23 ps）方面的高性能。
2016-03-07 cond-mat.supr-con physics.ins-det physics.optics
Telecom quantum dots on GaAs substrates as integration-ready high performance single-photon sources
研究了基于GaAs衬底在电信O和C波段发射的MBE生长量子点，实现了低线宽、低精细结构分裂和低g2(0)值，展示了其作为可集成高性能单光子源的潜力。
2025-05-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Superconducting single photon detectors integrated with diamond nanophotonic circuits
光子量子技术有望在非经典应用中重复集成纳米光子电路的成功。使用线性光学元件，量子光学计算可以用集成光学电路来执行，从而允许克服在可扩展性方面的现有限制。除了实现光子量子门的无源光学器件外，单光子源和单光子探测器等有源器件是未来光量子线路的重要组成部分。允许所有组件单片集成的材料系统特别有吸引力，包括III-V族半导体、硅和金刚石。在这里，我们展示了纳米光子集成电路，由高品质的多晶金刚石薄膜与片上单光子探测器相结合。使用超导纳米线耦合渐逝行波，我们实现了高达66%的高检测效率与低暗计数率和190 ps的定时分辨率相结合。我们的设备是完全可扩展的，并有望成为功能性金刚石光子量子设备。
2015-05-16 physics.optics quant-ph
Photonic quantum computing on thin-film lithium niobate: Part I Design of an efficient heralded single photon source co-integrated with superconducting detectors
本文在薄膜铌酸锂平台上提出一种与超导纳米线探测器共集成的预示单光子源设计，利用PPLN波导和光栅耦合器实现高效集成，可服务于融合量子计算和压缩光应用。
2023-11-15 quant-ph
Recent advances and future perspectives of single-photon avalanche diodes for quantum photonics applications
由于利用单光子作为量子信息载体的诸多优势，光子量子技术有望带来信息处理领域的一场革命，从模拟和计算到通信和传感。在这种情况下，单光子探测器起着关键作用。一方面，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）能够在宽光谱范围内提供卓越的性能，但其适用性往往受到低温工作温度的限制。另一方面，单光子雪崩二极管（SPAD）通过在室温或略低于室温下提供有效的替代方案，克服了SNSPD的固有限制。在本文中，我们回顾了SPAD操作的基本原理，我们提供了一个彻底的讨论，在这一领域取得的最新进展，比较这些设备的性能与量子光子学应用的要求。最后，我们总结了光子量子信息处理领域的前景和不败之路，并展望了未来。
2020-10-12 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Simulation of Silicon Waveguide Single-Photon Avalanche Detectors for Integrated Quantum Photonics
集成量子光子学允许开发和实现芯片级器件，被认为是实现可扩展量子网络方案的关键技术。然而，许多最先进的集成量子光子学演示仍然需要将光耦合到外部光电探测器。片上硅单光子雪崩二极管（SPAD）提供了一种可行的解决方案，因为它们可以与光子组件无缝集成，并在热电冷却可实现的温度下以高效率和低暗计数运行。此外，它们在LIDAR和低光成像等应用中也很有用。在本文中，我们报告的硅波导为基础的SPAD的设计和模拟的硅绝缘体上的平台，为可见光波长，专注于两个器件家族具有不同的掺杂配置：p-n+和p-i-n+。通过二维蒙特卡罗方法模拟雪崩过程，计算了输入波长为640 nm时的光子探测效率（PDE）和时间抖动，以及243 K和300 K时的暗计数率（DCR）。对于我们的模拟参数，最佳p-i-n+ SPAD显示出最佳的器件性能，在反向偏置电压为31.5 V时，饱和PDE为52.4 +/- 0.6%，半高全宽（FWHM）定时抖动为10 ps，在243 K时，DCR < 5计数每秒。
2019-05-07 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Engineering Schrödinger cat states with a photonic even-parity detector
当两个相等的光子数态在平衡分束器上组合时，分束器的两个输出端口仅包含偶数个光子。考虑这种干涉现象的时间反演：在分束器的输出端口处的一对光子数分辨检测器都检测到相同数量的光子的概率取决于分束器的输入状态和仅包含偶数光子数的状态之间的重叠。在这里，我们建议使用这种偶宇称检测工程量子态只包含偶数光子数项。作为一个例子，我们证明了制备两个相干态的叠加具有相反的振幅，即两个组件薛定谔猫态的能力。我们的方案可以以近乎完美的保真度制备任意大小的猫态。此外，我们研究工程更复杂的偶宇称状态，如四分量猫状态迭代应用我们的偶宇称检测器。
2020-02-27 quant-ph
Cryogenic Feedforward of a Photonic Quantum State
研究展示了在4K以下利用多像素超导纳米线单光子探测器等组件对量子光源进行准光子数分辨测量的低延迟前馈，总延迟(23+/-3)ns，为最快量子光前馈实验设定了基准。
2024-10-11 physics.optics quant-ph
High-fidelity conversion of photonic quantum information to telecommunication wavelength with superconducting single-photon detectors
我们实验证明了一个高保真的可见光到电信波长转换的光子通过使用基于固态的差频产生。在实验中，在780 nm处的皮秒可见纠缠光子对的一半被转换为1522 nm的光子，导致在780 nm和1522 nm之间的纠缠光子对。使用超导单光子探测器与低暗计数率和小的定时抖动，我们有选择地观察到定义良好的时间模式包含两个光子。波长转换后，我们获得了$0.93 \pm 0.04$的保真度，表明我们的基于固态的方案可以用于对由各种介质组成的量子存储器发射的可见光子进行忠实的频率下转换。
2012-07-06 quant-ph
Inline Quantum Measurements with SNSPDs Coupled to Photonic Bound States
本文提出了一种基于无刻蚀聚合物波导的BIC平台，实现了高效率的 inline 量子测量，并展示了其在干涉仪和光子数分辨中的应用。
2025-12-10 quant-ph
Direct experimental certification of quantum non-Gaussian character and Wigner function negativity of single-photon detectors
光量子探测器（如单光子探测器）的高度非经典特性对于光的量子态的制备以及量子精密测量和量子信息处理中的绝大多数应用是必不可少的。因此，研究光学量子测量的非经典特性既有重要意义，又有实际意义。在这里，我们提出并实验证明了一个程序的量子非高斯性和维格纳函数的负性，两个关键的非经典水平，光子量子探测器的直接认证。值得注意的是，我们的特点是高度非经典性质的探测器探测只有两个经典的热态和真空状态。实验证明了单光子雪崩二极管的量子非高斯性，并证明了该探测器的Wigner函数为负。我们的研究结果开辟了直接基准的光子量子探测器与一些经典状态的测量。
2021-01-10 physics.optics quant-ph
Integrated photonic Galton board and its application for photon counting
本研究提出可片上观测单光子干涉的集成光子高尔顿板，该简化玻色采样器结合定向耦合器矩阵与超导纳米线探测器阵列，兼具时空分辨率与光子数分辨能力，验证了探测器阵列与光子集成电路的兼容性，推动片上量子光学实验及光子量子计算发展。
2024-08-15 quant-ph
Amplitude-Multiplexed readout of single photon detectors based on superconducting nanowires
实现大规模的光子电路用于电信波段的量子光学实验，需要越来越多的集成探测器。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）可以方便地集成在芯片上，并且可以有效地探测波导内传播的光。由于读出电子器件的热影响，低温恒温器的热预算限制了可以集成在同一芯片上的元件的最大数量。在本文中，我们提出并实现了一种新的方案，能够有效地读取几个SNSPD只有一个读出端口，使光子电路的实现具有大量的模式。
2018-11-29 cond-mat.supr-con physics.app-ph quant-ph
Integration of Quantum Emitters with Lithium Niobate Photonics
量子发射器与集成光子学的集成实现了量子模拟器、计算机和网络的光子实现所必需的复杂量子光子电路。薄膜三酸锂是量子光子学的理想材料衬底，因为它可以将光紧紧地限制在小波导中，并且具有很强的电光效应，可以在低功率和高速度下开关和调制单光子。然而，锂离子电池缺乏有效的单光子发射器，这对于可扩展的量子光子电路至关重要。我们展示了单光子发射器与锂离子酸盐光子芯片的确定性耦合。发射器由嵌入在InP纳米束中的InAs量子点组成，我们使用拾取和放置方法将其转移到具有纳米级精度的锂酸盐波导。绝热锥形将发射到纳米束中的单光子高效地传输到锂离子酸盐波导。我们验证单光子性质的发射使用光子相关测量与片上分束器进行。我们的研究结果表明，快速，可重构的量子光子电路的量子信息处理的重要一步。
2018-10-12 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Nondestructive detection of photonic qubits
实验量子信息的最大挑战之一是保持量子比特脆弱的叠加态存活。作为存储器的物质量子位载体可以实现长寿命，至少在原则上是这样，但对于通过吸收、衍射或散射迅速丢失的传播光子来说，则不可能实现长寿命。损失问题可以通过非破坏性光子量子比特检测器来缓解，该检测器在不破坏编码量子比特的情况下预示光子。这种检测器被设想为促进分布式任务依赖于光子量子比特的成功传播的协议，以改善对丢失敏感的量子比特测量，并实现某些量子密钥分发攻击。在这里，我们展示了这样的探测器的基础上，在两个交叉的光纤为基础的光学谐振腔，一个量子比特不敏感的原子-光子耦合，原子态检测的其他单原子。我们实现了对$(79\pm3)\,\%$的量子比特生存的无损检测效率，$(31\pm1)\,\%$的光子生存概率，并以$(96.2\pm0.3)\,\%$的保真度保留量子比特信息。为了说明我们的探测器的潜力，我们表明，它可以提供，已经与当前的参数，长距离纠缠和量子态分布，通过量子比特放大的资源优化，和检测漏洞免费贝尔测试的优势。
2021-03-26 quant-ph
Origin of performance enhancement of superconducting nanowire single-photon detectors by He-ion irradiation
本文揭示氦离子辐照通过形成He气泡和Si衬底非晶化降低超导薄膜与衬底间热导，从而提升SNSPD灵敏度，并实现选择性局部调控以改善探测器性能。
2025-01-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.ins-det
Superconducting qubits on silicon substrates for quantum device integration
我们提出了在两种不同的硅基衬底上由铝约瑟夫森结形成的transmon量子比特的制造和表征：（i）高电阻率硅（Si）和（ii）绝缘体上硅（SOI）。量子位制造过程的关键是使用无水氢氟酸蒸汽工艺，该工艺去除硅表面氧化物而不攻击铝，并且在SOI衬底的情况下，选择性地去除量子位区域下方的有损掩埋氧化物。对于跃迁频率约为$5$ GHz的量子位，我们发现量子位寿命和相干时间与蓝宝石衬底上可获得的量子位寿命和相干时间相当（$T_{1,\text{Si}} = 27μ$ s，$T_{2,\text{Si}} = 6.6μ$ s; $T_{1,\text{SOI}} = 3.5μ$ s，$T_{2,\text{SOI}} = 2.2μ$ s）。这种量子位制造工艺原则上允许硅光子和机械元件的共同制造，为超导微波量子线路的量子网络提供了一条通往电光机械换能器的芯片级集成的路线。
2017-04-03 quant-ph
Computed models of natural radiation backgrounds in qubits and superconducting detectors
针对自然辐射本底引发超导量子比特关联退相干的问题，研究结合Geant4与PARMA建模两类辐射源在超导衬底中的效应，给出三个关键速率的解析表达式及参数依赖关系，结果与实验测量一致。
2024-11-25 physics.ins-det quant-ph
Integrated photonics for continuous-variable quantum optics
University of Bristol（布里斯托大学）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Southampton（南安普顿大学）
本文综述了将连续变量光子态的源和探测器集成到芯片级光子集成电路中的努力，推动量子通信安全、传感和计算领域的进展。
2025-07-14 quant-ph
Non-deterministic Gates for Photonic Single Rail Quantum Logic
我们讨论了生产，操纵和测量量子比特编码光学真空和单光子状态的技术。我们表明，一组通用的非确定性门可以使用线性光学和光子计数。我们调查的有效性，测试门现实的检测器效率。
2002-05-09 quant-ph
