光子作为信息的重要载体，在通信、计算、生物等领域中扮演着不可或缺的角色。但单个光子的能量微小，一般光探测器无法探测，而超导单光子探测器如同一双“超级慧眼”，能捕捉极其微弱的单个光子信号。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）成功研制了高探测效率、高工作温度超导单光子探测器（SSPD），并开展了无人机搭载的超导单光子探测器实验，实测机载探测效率达到90%。
▲无人机载的超导单光子探测系统实测性能
01机载应用，性能挑战升级
超导单光子探测器因其高效率、低暗计数率和优异的时间分辨率，在量子通信和光学量子计算等方面得到了广泛应用。
主流超导单光子探测系统，普遍采用小型机械制冷机，典型工作温度在2K（-271℃）左右。这类超导单光子探测系统尺寸、功耗和体积较大，主要适合于光量子计算、光纤量子通信等地面应用。
然而，机载量子信息应用需求不仅需要高的探测性能指标，还需要系统的体积、功耗和尺寸都足够小，并具备快速部署的能力，传统基于机械制冷机的超导单光子探测系统无法满足机载应用需求。
02材料优化，提升工作温度
研究团队通过对低温超导超薄薄膜材料Nb（Ti）N组分调控，提高薄膜均匀性和临界温度，使得超导单光子探测器在4.2K（-269℃）实现了近饱和的本征探测效率。
利用该薄膜材料，研究团队制备了超导单光子探测器器件，实验表明，在2.2K工作温度下，探测效率与偏置电流的特性曲线呈现明显的饱和特性，最高系统探测效率超过95.2%。当工作温度提升至4.2K时，仍获得高达91.8%的系统探测效率。
从2K到4.2K的提升，看似微小，但意义重大。就像通过锻炼使得身体素质明显提升，冬天不需要棉衣，只需要穿个衬衫即可。新材料配合液氦杜瓦瓶的使用，可降低制冷设备要求，有效减小体积。
▲超导单光子探测器器件在不同工作温度下的效率-工作电流特性曲线
03无人机载，高效探测成真
由于工作温度提升至4.2K，使得基于液氦杜瓦瓶的小型化、高效率超导单光子探测系统成为可能。上海微系统所等研制了小型液氦杜瓦瓶和电池供电的微型电路，大幅减小了超导单光子探测系统体积、尺寸和功耗，并开展机载应用探索。
结合商用无人机，研究团队成功开展实验飞行。结果表明，飞行状态下探测效率达到90%。该实验的成功为机载量子信息（量子通信、激光雷达等）发展提供了高性能探测器保障。
