解锁量子精度：扩展超导带提高光子计数精度

使用单个光子作为量子位已经成为量子信息技术中的一个突出策略。准确确定光子数量在各种量子系统中至关重要，包括量子计算、量子通信和量子计量

光子数分辨探测器（PNRD）在实现这一精度方面发挥着至关重要的作用，并具有两个主要性能指标：分辨保真度和动态范围，前者测量准确记录入射光子数的概率，后者描述最大可分辨光子数

超导纳米跳闸单光子探测器（SNSPDs）被认为是单光子探测的领先技术。它们提供近乎完美的效率和高速性能

然而，关于光子数分辨率，基于SNSPD的PNRD一直难以在保真度和动态范围之间找到平衡。现有的阵列式SNSPD将入射光子划分为有限数量的像素，面临保真度限制。因此，这些检测器被称为准PNRD

当光子被吸收时，SNSPD通过破坏狭窄、冷却、电流偏置带的局部超导性来工作。这产生了一个称为热点的局部电阻区域，由此产生的电流通过负载电阻器分流，产生可检测的电压脉冲

因此，具有足够长超导带的SNSPD可以被视为数千个元素的级联，同时激活不同元素的正光子应该产生n个不重叠的热点。然而，传统的SNSPD与改进的低温读数相结合，只能分辨3-4个光子数，导致低动态范围

据《高级光子学》报道，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究人员在增强SNSPD的光子数分辨能力方面取得了进展

通过增加条带宽度或总电感，他们能够克服读出电子器件中的带宽限制和定时抖动。这导致了响应脉冲中上升沿的拉伸和信噪比的提高，从而增强了读出保真度

通过将超导带拓宽到微米级，研究人员首次使用超导微带单光子探测器（SMSPD）观测到高达10的真实光子数分辨率。令人惊讶的是，即使不使用低温放大器，他们也能获得这些结果。4光子事件和6光子事件的读出保真度分别达到了令人印象深刻的98%和90%

此外，研究人员提出了一种双通道定时设置，以实现实时光子数读出。这种方法将数据采集要求显著降低了三个数量级，并简化了读出设置。他们还通过创建一个基于相干态奇偶性采样的量子随机数生成器，证明了他们的系统在量子信息技术中的实用性

这项技术确保了无偏性、对实验缺陷和环境噪声的鲁棒性以及对窃听的抵抗力

这项研究代表了PNRD领域的重大进展。随着SMSPD检测效率的进一步提高，这项技术可以很容易地用于各种光量子信息应用。这些结果突出了SNSPD或SMSPD在实现高保真度和大动态范围光子数分辨率方面的潜力