超導納米線單光子探測器(SNSPD：Superconductingnanowiresingle-photondetector)作為一種高性能的單光子探測器，已經廣泛的應用于量子信息、激光雷達、深空通信等領域，有力推動了相關領域的科技進步。然而，迄今為止，所有的SNSPD都只在地面實現了應用驗證，包括美國NASA2013年的月地激光通信LLCD項目，也是在地面接收站使用了超導單光子探測器，在衛星上不得不使用了性能較差的半導體單光子探測器。如果能夠在空間應用中采用SNSPD，有望實現空間光通信技術的跨越式發展，大幅提升深空激光通信和量子通信的距離和成碼率。而制約SNSPD空間應用的主要因素是制冷技術。
面向空間應用的SNSPD系統創意圖
SNSPD通常需要在液氦(4.2K)以下溫區工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環制冷機。包括上海賦同科技有限公司在內全球6家公司SNSPD商業化產品都采用類似的制冷技術。然而這類制冷機由于采用了油壓縮機，冷頭有運動部件；而且受到這類制冷機體積、重量功耗制約，使得這類制冷機無法實現空間應用。
面向空間應用對高性能單光子探測技術的需求，全球科研人員一直在努力發展面向空間應用的小型液氦溫區制冷機技術，并期望將其和高性能SNSPD結合。2017年1月，美國NIST最先報道了一個基于三級脈管加JT節流技術的小型制冷機，然而JT的壓縮機尚未成功研制，且未能實現SNSPD的性能測試【IEEETransonApplSupercond27:9500405(2017)】。2017年9月，英國Glasgow大學報道了一個基于斯特林+JT節流技術的小型制冷機，該制冷機可以滿足空間應用需求，但是最低溫度只能達到4.2K。利用該制冷機研究人員實現了正常工作的SNSPD(1310nm波長/暗計數KHz/探測效率僅20%)，但是性能非常有限，和半導體探測器性能相當【SupercondSciandTech30:11lt01(2017)】。
2017年起，中科院上海微系統所/中科院超導電子學卓越創新中心尤立星團隊和中科院理化所梁驚濤團隊通力合作，開展面向空間應用的SNSPD系統研發。理化所成功研發了可實現空間應用的二級脈管+JT節流技術小型制冷機，最低無負載工作溫度可達到2.6K。安裝上海微系統所研制的SNSPD器件后，最低工作溫度達到2.8K。在此溫度下，國際上首次實現了1550nm工作波長，最高系統探測效率超過50%。在100Hz暗計數下，系統探測效率達到47%，且抖動只有48ps。性能大幅超越傳統的半導體探測器。相關成果近日發表于OpticsExpress【OE26(3):2965-2971.(2018)】。該結果有望為我國下一代量子衛星、深空激光通信等空間應用提供高性能單光子探測器解決方案。
該工作得到了國家重點研發計劃項目“高性能單光子探測技術”(2017YFA0304000)、中科院交叉創新團隊(超導單光子探測創新交叉團隊)、自然科學基金以及上海市科委等項目資助。
