热点量化正交时幅复用读出高效超导纳米线单光子成像仪

      利用光学传感和测量来精确获取单个光子的空间和时间信息，不断接近量子极限，这有利于各种现代应用，如量子成像、低光子通量成像和时间分辨单光子光谱。这种能力是由单光子成像仪实现的，该成像仪结合了单光子探测器阵列和读出电子器件。目前，相关科研人员已经演示了各种类型的大型单光子成像仪，包括基于III-V半导体的千像素成像仪阵列、基于硅的百万像素阵列和基于超导体的阵列，例如微波动态电感检测器、过渡边缘传感器阵和超导纳米线单光子检测器（SNSPD）阵列。增加这些单光子探测器阵列的可扩展性的一个常见挑战是读出电路的复杂性，该读出电路使得来自每个像素的光子探测脉冲能够被放大、路由和寻址。对于基于超导体的阵列，由于不可避免的低温操作温度，这一挑战更为严峻。因此，尽管基于超导体的探测器表现出了优异的性能，但开发大规模超导探测器阵列始终是一项麻烦且具有挑战性的任务，需要专门的设备和低温工程。

       近日，南京大学电子科学与工程学院超导电子研究所赵清源、陈健教授、吴培亨院士团队通过引入正交时幅复用方法来开发千像素成像仪。通过几何设计纳米线结构来控制其热点生长和光子探测后的微波传播，这种读出仅建立在超导纳米线中。实验结果显示，像素位置在输出脉冲的时域和振幅域上都被编码。这种双重复用方法克服了先前时间复用读出的限制，其中时间测量的不确定性恶化了空间分辨率和可扩展性。实验上，通过两条读出线，研究人员演示了一个32×32成像器，平均读出像素保真度为97%，平均时间分辨率为67.3 ps。在低光子通量下，每个像素检测到一个光子，通过单光子成像实验进一步验证了该成像器的性能。与以前的方法相比，这种正交时幅复用读出和相应的纳米线设计提供了最有效的读出，这将加快量子测量、遥感、天文望远镜等大规模单光子成像仪的发展。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）

       文章链接：Ling-Dong Kong et al. Readout-efficient superconducting nanowire single-photon imager with orthogonal time–amplitude multiplexing by hotspot quantization. Nature Photonics(2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01089-6.