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单光子探测器权威发布_单光子探测器原理(2024年12月精准访谈)

内容来源：卡姆驱动平台所属栏目：观点更新日期：2024-12-01

单光子探测器

「中国科学技术大学在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展」[威武]近日，中国科学技术大学张军等联合南京大学陆海、张荣团队在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展，通过设计制备基于4H-SiC材料的单光子雪崩光电二极管，发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器，利用该探测器首次实现了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并实现1~3.5km高度范围内的臭氧浓度监测，相关成果发表于《应用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。 [鲜花]紫外单光子探测技术在大气环境监测、尾焰探测、电弧检测和火灾预警等应用场景中发挥着重要作用。光电倍增管是紫外波段传统的单光子探测器件，但具有灵敏度低、寿命短、磁场敏感等劣势，无法在恶劣环境中（高温、震动、强辐射）长时间稳定工作。相比之下，宽禁带半导体4H-SiC材料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高以及性能稳定等特点，在研制新型紫外半导体单光子探测器方面具有显著的材料性能优势。然而，长期以来基于该材料的单光子探测器性能指标差，特别是探测效率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子探测器不具有实用价值。 [打call]中国科大、南京大学团队近年来致力于紫外半导体单光子探测器的联合攻关，取得了一系列新突破。2023年，研究团队通过优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管新型倾斜台面结构和制备工艺，并发展被动淬灭主动恢复读出电路技术，首次研制出了具有实用价值的小型化4H-SiC单光子探测器样机，在266 nm波段探测效率为10.3%、暗计数率为133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。此后，研究团队利用该探测器，首次演示了紫外波段单像素单光子成像实验，在接收光强约6pW的条件下实现了单光子成像，成像分辨率为192㗱92像素，帧率为4fps [Appl. Phys. Lett. 123, 024005 (2023)]。 [全力以赴]在此基础上，研究团队在4H-SiC单光子探测器性能指标方面持续开展攻关。一方面，通过迭代优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构和工艺提升了器件的单光子探测效率；另一方面，针对4H-SiC单光子雪崩光电二极管器件的特征发展了新型主动淬灭主动恢复读出电路，在有效抑制探测器后脉冲概率的同时显著提升了饱和计数率。经表征，新探测器在266nm波段探测效率达16.6%、暗计数率为138kcps、后脉冲概率为2.7%、饱和计数率达13Mcps，基本满足了紫外单光子激光雷达应用对单光子探测器的性能需求。 [超人爸爸]研究团队利用该探测器首次在单光子差分吸收臭氧激光雷达系统中开展相关应用，该激光雷达系统将289nm和316nm的脉冲激光同时垂直发射到大气中，由于臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，通过对比两种激光回波信号的衰减速度可以反演出大气不同高度处的臭氧浓度。为了进行数据比对，实验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新型4H-SiC单光子探测器进行探测和数据反演，实验结果表明在1~3.5km范围内使用两种探测器反演出的臭氧浓度分布高度吻合。上述工作为紫外波段单光子激光雷达提供了一种高性能、高环境耐受性的实用化解决方案。

【我国学者研制出新型紫外波段单光子激光雷达】科技日报：记者26日从中国科学技术大学了解到，该校张军等人联合南京大学陆海、张荣团队通过设计制备单光子雪崩光电二极管，发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器。研究团队利用该探测器首次实现了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并实现1—3.5公里高度范围内的臭氧浓度监测。相关研究成果日前发表在国际学术期刊《应用物理快报》上。紫外单光子探测技术在大气环境监测、尾焰探测、电弧检测和火灾预警等应用场景中发挥着重要作用。宽禁带半导体材料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高以及性能稳定等特点，在研制新型紫外半导体单光子探测器方面具有显著的材料性能优势。然而，长期以来基于宽禁带半导体材料的单光子探测器性能指标差，特别是探测效率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子探测器不具有实用价值。基于前期研究基础，研究团队在单光子探测器性能指标方面持续开展攻关。一方面，研究团队通过迭代优化单光子雪崩光电二极管结构和工艺提升了器件的单光子探测效率；另一方面，研究团队针对单光子雪崩光电二极管器件的特征，发展了新型主动淬灭主动恢复读出电路，在有效抑制探测器后脉冲概率的同时，显著提升了饱和计数率，基本满足了紫外单光子激光雷达应用对单光子探测器的性能需求。研究团队利用该探测器首次在单光子差分吸收臭氧激光雷达系统中开展相关应用。该激光雷达系统将289纳米和316纳米的脉冲激光同时垂直发射到大气中，由于臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，实验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新型单光子探测器进行探测和数据反演。实验结果表明，在1—3.5公里范围内使用两种探测器反演出的臭氧浓度分布高度吻合。科研人员表示，这项研究工作将为紫外波段单光子激光雷达提供了一种高性能、高环境耐受性的实用化解决方案。

光居然也有影子，这意味着什么？近日，一项发表于《光学》（Optica）的研究引起了科学界的广泛关注。此前，人们普遍认为光线本身是没有影子的，但此次研究却给出了相悖的示例：激光光束在另一束光的照射下，能够投射出可被肉眼直接观测的影子。这一发现突破了传统线性光学的认知局限，属于非线性光学的范畴。光有影子意味着光具有非线性属性，在强相干光作用下，光与光之间会产生非线性相互作用，从而展现出如投射影子等超出常规认知的现象。光有影子这一特性为诸多领域带来了新的应用可能。研究团队负责人拉斐尔ⷁ.阿布拉哈奥指出，该发现或许能在多种场景中发挥重要作用。比如在光学开关方面，利用光对光的控制，可实现更高效、更精准的光信号切换；在光控光设备中，能够通过一束光来操控另一束光，为设备的小型化、高性能化提供支持；对于高功率激光器等需要精确控制光传输的技术，这一特性也将有助于进一步提升其性能与控制精度。这一特性对光量子计算机的发展也颇具意义。光的非线性属性可助力光量子计算机中光量子比特的操控，为其提供更精准的操控手段。同时，能够优化光量子计算机的核心部件，如开发高性能的单光子源和单光子探测器，以产生和探测具有特定量子态的光子，从而提升计算性能和精度。光的非线性相互作用还有助于实现光量子比特的集成与扩展，通过设计新型光子芯片，增加光量子比特数量和量子门复杂度，提高其可扩展性。光有影子这一发现不仅加深了人们对光的本质属性的理解，更为光学领域的技术创新和应用拓展带来了新的契机，未来有望推动光学相关产业以及光量子计算领域的进一步发展。

【「USTCⷧ瑧 ”」｜中国科大在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展】近日，中国科学技术大学张军等联合南京大学陆海、张荣团队在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展，通过设计制备基于4H-SiC材料的单光子雪崩光电二极管，发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器，利用该探测器首次实现了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并实现1~3.5km高度范围内的臭氧浓度监测，相关成果发表于《应用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。「中国科学技术大学超话」

格物量子申请宽谱单光子探测器实现装置专利，能实现硅和INGASN探测器在一个设备内工作无需切换

二、观测不可能“看到”的东西除增强型导航之外，量子传感器还能用于提高成像的精度和灵敏性、探测低可观测水下和空中平台。这些传感器可安装在近地轨道(low Earth orbit，LEO)卫星或飞机、地面和海上平台上，包括UUV和USV上。量子重力仪和磁力仪具有特殊的应用前景，因为这些传感器能探测到由诸如隧道等人造地下或水下结构所引起的环境下重力场或磁场的细微变化或扰动。特别是量子重力仪，被认为是能提供地球地表/水面和地面/水面以下厘米级的精度。从军事角度看，量子磁力仪尤其适合于水下情报、监视和侦察(ISR)，研究人员建议该类系统可用于潜艇探测和水雷识别。用这些传感器探测到潜艇的距离可能达6 km，如采用改进后的噪声抑制技术，探测距离还会更大。然而，量子磁力仪非常灵敏，这意味着它们易受干扰。因此，背景噪声甚至地球磁场的微小波动及太阳风暴等诱因，都会影响到它的效能。位于布拉格(Prague)的捷克技术大学(Czech Technical University)的量子安全研究学者Michal Krelina在2021年11月的《EPJ量子技术》(EPJ Quantum Technology)期刊上发表的“量子技术的军事应用”(“Quantum technology for military applications”)一文中提到，高分辨率量子磁力和重力传感器的进一步军事应用包括：能从LEO上探测到伪装车辆、飞机、搜索舰队或单独的舰船。然而，一位不愿透露姓名的量子传感教授对此提出质疑。他们认为，量子增强雷达，特别是机载平台上的量子增强雷达更实用。除了水下和空中目标，Krelina建议这些高分辨率传感器也能用于探测诸如地下燃料库、研究设施以及导弹发射井等地下结构设施，或掩埋的爆炸物。量子传感中另一个感兴趣的军事领域是量子成像，它能提供更好的物体分辨率和在挑战性环境中观测的能力。这类系统是SPAD(Single Photon Avalanche Detectors，单光子雪崩探测器)，这是一种与脉冲式照明源相联的非常灵敏的单光子探测器。Krelina补充道，将SPAD集成为一个阵后，它就能方便地探测到视线外的物体，如藏在角落中的物体。兰德公司(RAND Corporation)物理学家Edward Parker在他2021年10月的一份报告“量子技术的商业和军事应用及其时间表”(“Commercial and military applications and timelines for quantum technology”)中写道：量子传感的另一个应用是“鬼”成像(ghost imaging)技术，利用光的独特特性和非常微弱的照明光束来探测远程的物体(译注：“鬼”成像又称双光子成像(two-photon imaging)或关联成像(correlated imaging)，是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的新型成像技术。可让一台高分辨率照相机对一个它本身并不能看到的物体成像，方法是使用2个传感器，一个对着光源，另一个对着这一物体，利用光子纠缠的特性进行成像。这些光束不但非常难以探测且适合隐蔽作战，也能实现在最低光照条件下的成像。它们能穿透主要大气遮蔽物，如浓烟或云。简单地说，它是一种无需直接拍摄物体而创建物体图像的技术。它是利用光模式之间的相关性来重构图像，类似于我们可根据阴影和声音来了解屋中的某人一样。Parker说，美国陆军研究实验室(US Army Research Laboratory)的研究人员已建议将“鬼”成像用于地面和UAV的远距离ISR。（a）（b）图3 ⠂ ⠢€œ鬼”成像示意图（图片来自网网络）量子雷达是另一项有前途的技术，理论上，它的抗噪声和抗干扰能力更强，并且不会被电子战(electronic warfare，EW)手段发现。然而，它的高成本引起了人们对将其作为主要监视系统的实用性的担心。量子雷达利用量子纠缠特性实现其功能，粒子对之间以这种方式互相关：一个粒子能立即影响到另一个粒子的状态，而与距离无关。靠纠缠雷达光子，量子雷达能比传统雷达系统获得更高的灵敏度和分辨率。奥地利科技研究所(Institute of Science and Technology Austria，ISTA)的研究人员试验了这种方法，指出它可在如此低的功率水平下工作，以致该系统能有效隐藏在背景噪声中。这使得量子雷达对低信号特征至关重要的应用场景极具吸引力。靠利用纠缠和相干性，量子雷达探测低可观测飞机时比传统雷达更加有效。传统雷达系统同样能从量子力学中获益。例如，将一个量子时钟集成到系统中就能提供高质量的振荡输入，减小噪声，并支持对杂波环境中小目标的探测。研究人员告诉《简氏》（Janes），这项技术非常有前景。

文章提要1.⠩‡子传感器正处于早期发展阶段，但必然会极大地提高成像、探测和导航能力；2.⠩‡子技术能帮助克服一些主要问题，如在信号中断情况下，精准定位或探测低可观测平台。量子传感器技术的开发正不断取得进步，如果完全实现，它可能使军事能力发生变革。靠利用量子力学的独特特性，例如叠加和纠缠，量子传感器能够在全球导航卫星服务(global navigation satellite services，GNSS)不可用或对抗环境下实现准确的导航，并能明显改善对低可观测平台和复杂环境中物体的探测能力。尽管量子传感尚处于发展的早期阶段，但在具有潜在军事应用价值的量子技术中，它被认为是最先进的领域。一、GNSS替代方案量子使能型(quantum-enabled)传感器可用作为定位、导航和授时(positioning，navigation & timing，PNT)系统的替代形式，使军队能克服传统约束、在GNSS拒止或对抗环境下作战。量子增强(quantum-enhanced)陀螺仪和加速度计是两种能极大改善PNT精度并保障其复原力(resilience)的传感器。英国国防部(Ministry of Defence，MoD)正与伦敦帝国理工学院(Imperial College London)一同开发一种量子增强加速度计，以改善导航性能，减小对干扰和破坏的敏感性。该系统于2023年在皇家海军的“帕特里克ⷥ𘃨Ž𑥅‹”号(XV Parick Blackett)试验船上进行了测试。图1. 英国海军XV Parick Blackett试验船(270 t)（图片来自网络）根据皇家海军的说法，量子加速度计原型能通过测量加速度来确定一个物体随时间的速度。通过将这一信息与物体的旋转测量值和初始位置相结合，就能不依赖GNSS而计算出当前位置。虽然也有其它传感器和独立的无卫星导航系统，但它们都会随时间漂移。然而，伦敦帝国理工学院解释道，量子加速度原型能消除这种传感器随时间的漂移，大大提高在长时间尺度上的精度。伦敦帝国理工学院说，原型通过超冷原子来实现高精度测量。当冷却到极低温度时，原子表现出“量子”特性，表现得像物质和波。由于原子通过传感器运动，它们的波特性受到载体加速度的影响。皇家海军指出，由于采用“光学尺”(“optical ruler”)，这种加速度计能非常精确地测出这些细微变化，从而提供高精度的PNT，并支持在GNSS拒止环境下的作战。图2. ⠧”𑤼榕楸国理工学院与MoD联合开发的量子加速度计能实现GNSS拒止环境下的导航，并提高抗干扰能力。（图片来源：Imperial College London，2039665）根据技术记者Paul Marks于2014年在《新科学家》(New Scientist)期刊上发表的一份题为“当GPS失灵时，量子定位系统会登场”(“Quantum Positioning System Steps in When GPS Fails”)的报告，量子在PNT上的应用能使水下潜艇的自身定位精度比现在提高1000倍。除加速度计之外，用量子力学设计重力仪和磁力仪也能提高PNT精度，并能在GNSS拒止环境下辅助导航。这些传感器测量和识别地球重力场或磁力场的异常变化，以作为方位地标。借助量子力学，系统能提供重力场或磁场的实时测量值，实现对动态导航参数的调节，如航向、姿态或随环境变化的航路等。这将实现更精确和快速响应的导航，特别是在GNSS拒止地区，能够增强抗干扰和抗欺骗能力。二、观测不可能“看到”的东西除增强型导航之外，量子传感器还能用于提高成像的精度和灵敏性、探测低可观测水下和空中平台。这些传感器可安装在近地轨道(low Earth orbit，LEO)卫星或飞机、地面和海上平台上，包括UUV和USV上。量子重力仪和磁力仪具有特殊的应用前景，因为这些传感器能探测到由诸如隧道等人造地下或水下结构所引起的环境下重力场或磁场的细微变化或扰动。特别是量子重力仪，被认为是能提供地球地表/水面和地面/水面以下厘米级的精度。从军事角度看，量子磁力仪尤其适合于水下情报、监视和侦察(ISR)，研究人员建议该类系统可用于潜艇探测和水雷识别。用这些传感器探测到潜艇的距离可能达6 km，如采用改进后的噪声抑制技术，探测距离还会更大。然而，量子磁力仪非常灵敏，这意味着它们易受干扰。因此，背景噪声甚至地球磁场的微小波动及太阳风暴等诱因，都会影响到它的效能。位于布拉格(Prague)的捷克技术大学(Czech Technical University)的量子安全研究学者Michal Krelina在2021年11月的《EPJ量子技术》(EPJ Quantum Technology)期刊上发表的“量子技术的军事应用”(“Quantum technology for military applications”)一文中提到，高分辨率量子磁力和重力传感器的进一步军事应用包括：能从LEO上探测到伪装车辆、飞机、搜索舰队或单独的舰船。然而，一位不愿透露姓名的量子传感教授对此提出质疑。他们认为，量子增强雷达，特别是机载平台上的量子增强雷达更实用。除了水下和空中目标，Krelina建议这些高分辨率传感器也能用于探测诸如地下燃料库、研究设施以及导弹发射井等地下结构设施，或掩埋的爆炸物。量子传感中另一个感兴趣的军事领域是量子成像，它能提供更好的物体分辨率和在挑战性环境中观测的能力。这类系统是SPAD，这是一种与脉冲式照明源相联的非常灵敏的单光子探测器

济南量子技术研究院：城市发展的新引擎 𐟚€ 在量子通信领域，济南量子技术研究院正以量子技术为核心，研发出一种名为“铌酸锂波导芯片”的关键芯片。这种芯片不仅应用于民用卫星、环境监测和大气污染监测等领域，还成功研发出了室温下性能优异的通信波段单光子探测器，成为世界上首台封装成型的商业产品样机。济南的发展离不开这些科研机构的贡献。济南量子技术研究院、山东量子科学研究院有限公司、国讯量子芯、国耀量子雷达等机构齐聚一堂，共同成立了国内唯一掌握逆向质子交换铌酸锂波导的周期极化铌酸锂波导芯片研制平台。这个平台实现了周期极化铌酸锂波导芯片的全产业链完全自主化、国产化及量产生产，济南高新区也因此形成了从运营服务、系统集成、整机制造、核心元器件研制到原材料供应的量子技术产业链。随着量子技术领域的不断突破，山东量子技术与量子产业实现双轨道同步发展，逐渐形成以济南为中心、辐射全省的量子技术产业集群。量子技术产业的发展不仅带动了信息产业的革新，也加速了城市新旧动能的转换。海讯创泰作为一家济南本土的科技公司，负责人表示，他们将以推动济南乃至山东科技发展为己任，充分利用技术能力推动城市发展。

问：光电探测技术中的单光子探测器，单光子是指单独的一个光粒子吗？

光电效应证明不了光具有粒子性，但却能够逻辑证明光具有波动性！

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