近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員孔令東-尤立星團隊，提出基于微波時域編碼的組合時間邏輯架構，并打造出一種超導納米線雙光子空間符合計數器。

他們通過融合微波傳輸線延遲特性和計算數學組合優化策略，開發了動態規劃算法，構建了大規模空間態雙光子位置編解碼的理論方案，克服了傳統延遲線上單光子-雙光子事件的信號混疊效應。

（來源：Nature Photonics）

通過此，他們實現了三大創新結果：

首先，他們協同超導非平衡電熱反饋過程和阻抗匹配電路設計，將單個單元響應的光子數信息映射至脈沖幅度，其中雙光子分辨保真度達 95%。

其次，他們僅用兩個讀出端口，實現了 16 通道原型系統的 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 98%。

再次，他們實現了增強的可擴展性，可以通過直接串聯探測器和延遲線提升空間規模，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和完善器件效率，未來主要可以應用于量子信息領域，例如在玻色采樣中，多光子符合計數用于驗證量子優勢，通過空間模式干涉完成復雜計算任務。

在高維量子編碼中，可以利用光子的空間模式進行高維信息編碼，符合探測器實現多通道同步驗證，顯著提升通信容量和抗干擾能力。

在量子糾錯與邏輯門操作中，可以通過空間符合檢測光子簇態中的錯誤，輔助實現容錯量子計算。

圖 | 孔令東（來源：孔令東）

跨越數年的“不能放下”之課題

多光子糾纏和干涉作為量子光學研究的核心手段，是揭示量子力學基本規律中非經典現象的關鍵。

當前技術已能通過激光束聚焦非線性光學晶體穩定制備糾纏光子對，結合精密單光子操縱和探測技術，該體系不僅為量子力學基礎驗證提供了實驗平臺，更驅動著量子計算、量子通信和量子成像等顛覆性信息技術的創新發展。

這些突破性進展同樣得益于多通道多光子符合測量技術的發展，以實現空間相關特性表征和高維量子糾纏分析。

超導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：98% 大于效率、GHz 級響應速度、ps 量級時間抖動、暗計數率小于 1Hz。因此，其已成為光量子信息領域的關鍵使能技術。

但是，研制基于 SNSPD 的多光子空間符合計數器面臨兩大挑戰：

（1）SNSPD 作為典型“開關型”探測器，其光子誘導的熱點電阻經歷雪崩式極端非線性放大過程，導致輸出信號呈現二值化特征，所以固有的光子數分辨能力缺失；

（2）隨著量子光學系統向更高計算復雜度演進，光子線路規模擴展、糾纏維度提升，對光子數分辨探測器的數量需求呈幾何級增長；這在當前的分立式探測器架構下給低溫負載和讀出電子學帶來了嚴峻挑戰。

孔令東表示自己在讀博士的時候，就意識到超導延遲線只能分辨一個光子，這是它的一大不足，但是一直沒有方案可以解決。

傳統的雙端讀出的超導延遲線技術只能分辨單個光子的位置。因為探測單元之間默認用相同長度的延遲線進行連接，延遲時間具有對稱性，會把雙光子的位置（i 和j）誤判為位于兩個光子中間點的偽單光子位置 (i+j)/2。

假如有四個探測器位于位置 1、2、3、4，它們之間通過三段相同長度的延遲線連接起來。例如兩個光子落在位置 1 和位置 3，所讀取的兩端脈沖的時間差，和一個光子落在位置 2 是相同的。

讀博時期，他的同學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，其時間差（等效于一個光子落在 1.5 位置）和其他所有事件都不同，因此可以被區分開。

但是，如果兩個光子落在 1 和 3，這與一個光子落在 2 相同；如果兩個光子落在 1 和 4，則和兩個光子落在 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，他采用指數級擴展序列，但是顯然隨著探測數量的增加，延遲線的總長度也呈現指數級增加，這不利于器件擴展性。后來，其從計算機科學的貪心算法受到啟發，設計了動態規劃算法，誕生了器件中最終使用的延時序列。

再后來，他在實驗中發現該雙光子探測還存在一個漏洞：盡管拓撲優化了時間序列，但是通過雙端口的延時差只能分辨單光子事件和雙光子在不同單元的事件。

如果兩個光子落在同一個單元，則延時差和一個光子落在該單元一模一樣。受到自己和其他團隊之前工作的啟發：兩個光子比一個光子落在同一個單元所產生的熱點電阻大。

于是，他通過精細地調控納米線的橫截面和讀出電路的阻抗匹配，把熱點電阻的大小映射到響應脈沖幅值上，使得單個像素不同光子數的響應脈沖幅度呈現明顯的差異。就這樣，漏洞被修復了。

在團隊工程師的幫助下，通過不斷迭代優化納米線的制備工藝，終于將 16 單元的器件制備出來。得益于實驗室完善的器件測量平臺，順利地測到了所有單光子和雙光子事件，并與入射光統計結果完美匹配。

牙簽和洗澡的靈感

另據悉，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。某日清晨，孔令東嘗試將一根牙簽掰成等長的兩段，但他發現隨意一掰，兩端牙簽的長度并不相同。

孔令東再把這兩根牙簽恢復成原樣，很顯然折斷點不在牙簽的中點。盯著這根牙簽，他突然靈光一現：如果把三個探測器分別置于牙簽的端點和折斷點，那樣當端點兩個探測器探測到光子時，測量的時間差等效于牙簽中點處虛擬探測器探測到光子。但是，這個位置和折斷點的位置并不重合，那樣不就能區分開兩個端點的雙光子事件和折斷點的單光子事件。

這讓其意識到這也許是雙光子探測的突破點，但是如何設計器件結構還是沒有具體思路。

后來晚上洗澡期間，這個現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在于打破響應脈沖延遲時間的對稱性，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，設計連接 4 個探測器之間的三段時間序列：1、2、4。再計算所有的 4 個單光子的延遲時間差和 6 個雙光子的延遲時間差，果然都不相同。

于是他堅信，可以設計一個時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間差均不相同。“這就是該項工作最初的誕生，也是最難忘的地方……”其表示。

日前，相關論文以《一種具有組合時間邏輯和幅度復用的超導納米線雙光子符合計數器》（A superconducting nanowire two-photon coincidence counter with combinatorial time logic and amplitude multiplexing）為題發表在Nature Photonics[1]，孔令東是第一作者兼共同通訊作者，尤立星擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Photonics）

當前的研究成果還局限于分辨兩個光子的位置。在該項目的研究過程中，他們還誕生了新的思路，目前正在研究可以同時分辨超過 16 個光子數和空間態的高效率單片集成符合計數器，將在不久地將來實現突破。他們將從三個方面入手：

（1）數學優化難題：首先針對糾纏光子對測量的基礎需求，進一步優化雙光子探測器結構。雙光子探測器需要很長的延時序列，不利于可擴展制備，這背后涉及 NP-hard 類組合優化問題；他們正在構建更智能的算法嘗試找到最優解。

（2）物理響應模型：多光子協同作用導致響應波形特征化，但缺乏理論模型和鑒別方法；他們正在嘗試結合超導納米線的物理特性和人工智能思路，設計物理信息融合的深度學習方式，幫助發掘波形特征；最終設計新型結構的器件，可以直接同步讀出所有單元響應的信號。

（3）器件參數互斥：超長且稀疏的納米線結構導致量子效率、光吸收率、微波串擾相互約束；他們將設計新型的異構集成器件，來實現這些參數的解耦或聯合優化，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