[论文解读] Crosstalk-free operation of multi-element SSPD array integrated with SFQ circuit in a 0.1 Watt GM cryocooler
该论文展示了在0.1 W的Gifford-McMahon制冷机中，将四元素超导纳米线单光子探测器（SSPD）阵列与单通量量子（SFQ）读出电路集成，实现了无串扰运行。通过为每个单元的输出分配独特的时序延迟，采用时间分辨读出技术，系统实现了50 ps的定时抖动和11.4%的系统探测效率，且无明显串扰，使低功耗低温环境下的实用化多元素SSPD运行成为可能。
We demonstrate the successful operation of a multi-element superconducting nanowire single-photon detector (SSPD) array integrated with a single-flux-quantum (SFQ) readout circuit in a compact 0.1 W Gifford-McMahon cryocooler. A time-resolved readout technique, where output signals from each element enter the SFQ readout circuit with finite time intervals, revealed crosstalk-free operation of the four-element SSPD array connected with the SFQ readout circuit. The timing jitter and the system detection efficiency were measured to be 50 ps and 11.4%, respectively, which were comparable to the performance of practical single-pixel SSPD systems.
研究动机与目标
- 实现多元素SSPD阵列在低功耗制冷机中的实用化、紧凑化运行，以支持量子技术应用。
- 解决基于SFQ的多元素SSPD读出系统中因信号合并导致个体单元响应被掩盖的串扰检测难题。
- 证明通过SFQ电路实现的时间分辨信号复用技术可保持各单元特有的时间特性与探测效率。
- 验证在真实工作条件下，SFQ复用的SSPD阵列中串扰可忽略不计。
提出的方法
- 采用4.5 nm厚薄膜和100 nm/200 nm的纳米线宽度/周期，制备了总面积为15×15 µm²的四元素NbN蛇形SSPD阵列。
- 每个SSPD单元通过共面波导连接至光纤耦合封装上的专用射频接头，光输入通过1550 nm光纤和梯度折射率透镜实现光束聚焦。
- 采用MC-DC/SFQ转换器和汇流缓冲（CB）门电路实现SFQ读出电路，将四个输入通道复用至单一输出，无需时钟脉冲。
- 通过为每个输入引入不同的同轴电缆长度，实现时间分辨读出，使信号在SFQ电路输出端具有不同的到达时间。
- 利用时间相关单光子计数（TCSPC）技术测量光子探测，时间分辨率达1 ps，可基于时间信息区分各单元的独立信号。
- 通过控制光子通量的脉冲和连续波激光源，量化系统探测效率与定时抖动。
实验结果
研究问题
- RQ1当与SFQ读出电路集成于紧凑的0.1 W Gifford-McMahon制冷机中时，多元素SSPD阵列能否实现无串扰运行？
- RQ2是否可通过时间分辨读出技术，在SFQ复用的SSPD阵列中区分各单元的独立信号？
- RQ3该系统的定时抖动与系统探测效率是多少？与单像元SSPD系统相比性能如何？
- RQ4入射光斑的空间错位如何影响阵列中各单元的探测效率？
- RQ5时间分辨SFQ读出技术能否在多元素SSPD阵列中保持空间分辨能力？
主要发现
- 系统实现了50 ps的定时抖动，与最先进的单像元SSPD系统相当。
- 即使在所有单元同时偏置的情况下，四组SSPD单元之间也未观测到可测量的串扰。
- 系统探测效率为11.4%，各单元探测效率范围在0.1%至7.9%之间，主要受光斑对准偏差影响。
- 在单独偏置与同时偏置条件下，时间相关直方图的峰位差异小于2 ps，证实了信号完整性。
- 各单元峰幅值的差异证实了空间分辨能力，当光斑中心对准单元C时，探测效率最高（7.9%）。
- 将光斑重新对准至单元B后，其探测效率提升至最高值，证实系统具备分辨光子吸收位置的能力。
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