近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員孔令東-尤立星團(tuán)隊(duì)，提出基于微波時(shí)域編碼的組合時(shí)間邏輯架構(gòu)，并打造出一種超導(dǎo)納米線雙光子空間符合計(jì)數(shù)器。
他們通過融合微波傳輸線延遲特性和計(jì)算數(shù)學(xué)組合優(yōu)化策略，開發(fā)了動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，構(gòu)建了大規(guī)?？臻g態(tài)雙光子位置編解碼的理論方案，克服了傳統(tǒng)延遲線上單光子-雙光子事件的信號混疊效應(yīng)。
通過此，他們實(shí)現(xiàn)了三大創(chuàng)新結(jié)果：
首先，他們協(xié)同超導(dǎo)非平衡電熱反饋過程和阻抗匹配電路設(shè)計(jì)，將單個(gè)單元響應(yīng)的光子數(shù)信息映射至脈沖幅度，其中雙光子分辨保真度達(dá) 95%。
其次，他們僅用兩個(gè)讀出端口，實(shí)現(xiàn)了 16 通道原型系統(tǒng)的 152 種全事件類別解析：16 種 C(16,1) 單光子事件+120 種 C(16,2) 雙光子在不同單元的事件+16 種 C(16,1) 雙光子在相同單元的事件，讀出保真度達(dá) 98%。
再次，他們實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以通過直接串聯(lián)探測器和延遲線提升空間規(guī)模，并且具有雙光子自符合特性，無需外接符合處理電路。
目前，他們正在努力提升光子數(shù)和完善器件效率，未來主要可以應(yīng)用于量子信息領(lǐng)域，例如在玻色采樣中，多光子符合計(jì)數(shù)用于驗(yàn)證量子優(yōu)勢，通過空間模式干涉完成復(fù)雜計(jì)算任務(wù)。
在高維量子編碼中，可以利用光子的空間模式進(jìn)行高維信息編碼，符合探測器實(shí)現(xiàn)多通道同步驗(yàn)證，顯著提升通信容量和抗干擾能力。
在量子糾錯(cuò)與邏輯門操作中，可以通過空間符合檢測光子簇態(tài)中的錯(cuò)誤，輔助實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算。
跨越數(shù)年的“不能放下”之課題
多光子糾纏和干涉作為量子光學(xué)研究的核心手段，是揭示量子力學(xué)基本規(guī)律中非經(jīng)典現(xiàn)象的關(guān)鍵。
當(dāng)前技術(shù)已能通過激光束聚焦非線性光學(xué)晶體穩(wěn)定制備糾纏光子對，結(jié)合精密單光子操縱和探測技術(shù)，該體系不僅為量子力學(xué)基礎(chǔ)驗(yàn)證提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更驅(qū)動(dòng)著量子計(jì)算、量子通信和量子成像等顛覆性信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。
這些突破性進(jìn)展同樣得益于多通道多光子符合測量技術(shù)的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)空間相關(guān)特性表征和高維量子糾纏分析。
超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD，Superconducting Nanowire Single-Photon Detector）具有以下卓越性能指標(biāo)：98% 大于效率、GHz 級響應(yīng)速度、ps 量級時(shí)間抖動(dòng)、暗計(jì)數(shù)率小于 1Hz。因此，其已成為光量子信息領(lǐng)域的關(guān)鍵使能技術(shù)。
但是，研制基于 SNSPD 的多光子空間符合計(jì)數(shù)器面臨兩大挑戰(zhàn)：
（1）SNSPD 作為典型“開關(guān)型”探測器，其光子誘導(dǎo)的熱點(diǎn)電阻經(jīng)歷雪崩式極端非線性放大過程，導(dǎo)致輸出信號呈現(xiàn)二值化特征，所以固有的光子數(shù)分辨能力缺失；
（2）隨著量子光學(xué)系統(tǒng)向更高計(jì)算復(fù)雜度演進(jìn)，光子線路規(guī)模擴(kuò)展、糾纏維度提升，對光子數(shù)分辨探測器的數(shù)量需求呈幾何級增長；這在當(dāng)前的分立式探測器架構(gòu)下給低溫負(fù)載和讀出電子學(xué)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
孔令東表示自己在讀博士的時(shí)候，就意識到超導(dǎo)延遲線只能分辨一個(gè)光子，這是它的一大不足，但是一直沒有方案可以解決。
傳統(tǒng)的雙端讀出的超導(dǎo)延遲線技術(shù)只能分辨單個(gè)光子的位置。因?yàn)樘綔y單元之間默認(rèn)用相同長度的延遲線進(jìn)行連接，延遲時(shí)間具有對稱性，會(huì)把雙光子的位置（i 和j）誤判為位于兩個(gè)光子中間點(diǎn)的偽單光子位置 (i+j)/2。
假如有四個(gè)探測器位于位置 1、2、3、4，它們之間通過三段相同長度的延遲線連接起來。例如兩個(gè)光子落在位置 1 和位置 3，所讀取的兩端脈沖的時(shí)間差，和一個(gè)光子落在位置 2 是相同的。
讀博時(shí)期，他的同學(xué)在這方面做過一些工作，借此判斷出少量雙光子與單光子事件的不同，例如光子落在位置 1 和 2，其時(shí)間差（等效于一個(gè)光子落在 1.5 位置）和其他所有事件都不同，因此可以被區(qū)分開。
但是，如果兩個(gè)光子落在 1 和 3，這與一個(gè)光子落在 2 相同；如果兩個(gè)光子落在 1 和 4，則和兩個(gè)光子落在 2 和 3 相同。所以總體而言是不完備的，大部分不同的事件都無法分辨。
這個(gè)問題隱隱約約一直在孔令東腦海里縈繞。一開始，他采用指數(shù)級擴(kuò)展序列，但是顯然隨著探測數(shù)量的增加，延遲線的總長度也呈現(xiàn)指數(shù)級增加，這不利于器件擴(kuò)展性。后來，其從計(jì)算機(jī)科學(xué)的貪心算法受到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，誕生了器件中最終使用的延時(shí)序列。
再后來，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該雙光子探測還存在一個(gè)漏洞：盡管拓?fù)鋬?yōu)化了時(shí)間序列，但是通過雙端口的延時(shí)差只能分辨單光子事件和雙光子在不同單元的事件。
如果兩個(gè)光子落在同一個(gè)單元，則延時(shí)差和一個(gè)光子落在該單元一模一樣。受到自己和其他團(tuán)隊(duì)之前工作的啟發(fā)：兩個(gè)光子比一個(gè)光子落在同一個(gè)單元所產(chǎn)生的熱點(diǎn)電阻大。
于是，他通過精細(xì)地調(diào)控納米線的橫截面和讀出電路的阻抗匹配，把熱點(diǎn)電阻的大小映射到響應(yīng)脈沖幅值上，使得單個(gè)像素不同光子數(shù)的響應(yīng)脈沖幅度呈現(xiàn)明顯的差異。就這樣，漏洞被修復(fù)了。
在團(tuán)隊(duì)工程師的幫助下，通過不斷迭代優(yōu)化納米線的制備工藝，終于將 16 單元的器件制備出來。得益于實(shí)驗(yàn)室完善的器件測量平臺(tái)，順利地測到了所有單光子和雙光子事件，并與入射光統(tǒng)計(jì)結(jié)果完美匹配。
牙簽和洗澡的靈感
另據(jù)悉，解決雙光子符合探測難題的核心突破，源自生活中一件小事的啟發(fā)。某日清晨，孔令東嘗試將一根牙簽掰成等長的兩段，但他發(fā)現(xiàn)隨意一掰，兩端牙簽的長度并不相同。
孔令東再把這兩根牙簽恢復(fù)成原樣，很顯然折斷點(diǎn)不在牙簽的中點(diǎn)。盯著這根牙簽，他突然靈光一現(xiàn)：如果把三個(gè)探測器分別置于牙簽的端點(diǎn)和折斷點(diǎn)，那樣當(dāng)端點(diǎn)兩個(gè)探測器探測到光子時(shí)，測量的時(shí)間差等效于牙簽中點(diǎn)處虛擬探測器探測到光子。但是，這個(gè)位置和折斷點(diǎn)的位置并不重合，那樣不就能區(qū)分開兩個(gè)端點(diǎn)的雙光子事件和折斷點(diǎn)的單光子事件。
這讓其意識到這也許是雙光子探測的突破點(diǎn)，但是如何設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)還是沒有具體思路。
后來晚上洗澡期間，這個(gè)現(xiàn)象又突然蹦到孔令東的腦海中，他一下子意識到，雙光子探測的核心突破點(diǎn)在于打破響應(yīng)脈沖延遲時(shí)間的對稱性，也就是說，探測器之間的延遲線序列不能按照默認(rèn)的均勻長度，而是要改成不同的長度。
趕緊洗完澡后，孔令東立即坐到辦公桌前，在草稿本上畫出示意圖，設(shè)計(jì)連接 4 個(gè)探測器之間的三段時(shí)間序列：1、2、4。再計(jì)算所有的 4 個(gè)單光子的延遲時(shí)間差和 6 個(gè)雙光子的延遲時(shí)間差，果然都不相同。
于是他堅(jiān)信，可以設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間序列來連接所有的探測器，使得所有單光子和雙光子事件的時(shí)間差均不相同?！斑@就是該項(xiàng)工作最初的誕生，也是最難忘的地方……”其表示。
日前，相關(guān)論文以《一種具有組合時(shí)間邏輯和幅度復(fù)用的超導(dǎo)納米線雙光子符合計(jì)數(shù)器》（A superconducting nanowire two-photon coincidence counter with combinatorial time logic and amplitude multiplexing）為題發(fā)表在Nature Photonics[1]，孔令東是第一作者兼共同通訊作者，尤立星擔(dān)任共同通訊作者。
當(dāng)前的研究成果還局限于分辨兩個(gè)光子的位置。在該項(xiàng)目的研究過程中，他們還誕生了新的思路，目前正在研究可以同時(shí)分辨超過 16 個(gè)光子數(shù)和空間態(tài)的高效率單片集成符合計(jì)數(shù)器，將在不久地將來實(shí)現(xiàn)突破。他們將從三個(gè)方面入手：
（1）數(shù)學(xué)優(yōu)化難題：首先針對糾纏光子對測量的基礎(chǔ)需求，進(jìn)一步優(yōu)化雙光子探測器結(jié)構(gòu)。雙光子探測器需要很長的延時(shí)序列，不利于可擴(kuò)展制備，這背后涉及 NP-hard 類組合優(yōu)化問題；他們正在構(gòu)建更智能的算法嘗試找到最優(yōu)解。
（2）物理響應(yīng)模型：多光子協(xié)同作用導(dǎo)致響應(yīng)波形特征化，但缺乏理論模型和鑒別方法；他們正在嘗試結(jié)合超導(dǎo)納米線的物理特性和人工智能思路，設(shè)計(jì)物理信息融合的深度學(xué)習(xí)方式，幫助發(fā)掘波形特征；最終設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)的器件，可以直接同步讀出所有單元響應(yīng)的信號。
（3）器件參數(shù)互斥：超長且稀疏的納米線結(jié)構(gòu)導(dǎo)致量子效率、光吸收率、微波串?dāng)_相互約束；他們將設(shè)計(jì)新型的異構(gòu)集成器件，來實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的解耦或聯(lián)合優(yōu)化，并嘗試將探測效率提升至 90% 以上。
參考資料：
1.Kong, LD., Zhang, TZ., Liu, XY. et al. A superconducting nanowire two-photon coincidence counter with combinatorial time logic and amplitude multiplexing.Nat. Photon.19, 407–414 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01613-w
排版：何晨龍、劉雅坤
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