在过去几十年量子光学发展的推动下，高效的单光子探测器已成为许多革命性光量子应用关键的组成部分。自2001年发明以来，“超导纳米线单光子探测器（SNSPD）”凭借其前所未有的高系统效率和探测时间精度，逐步发展成为单光子探测的旗舰技术。
2-4μm的中红外波段对红外荧光和光谱学、行星土壤研究、中红外激光雷达以及中红外双光子纠缠及干涉至关重要，这使得中红外单光子探测成为SNSPD研究的一个重要方向。同时，长波光子具有更低的能量因此探测难度更高。
之前，以WSi为代表的低带隙超导材料常被用做中红外单光子探测但此类材料往往需要在接近绝对零度的环境下运行（毫开尔文区间）。提供毫开尔文温度的制冷机结构复杂且十分昂贵。同时，基于-此类材料的SNSPD探测时间精度一般较差。使用更小体积、更经济的Gifford-McMahon(GM)低温制冷机可以大幅降低成本，但只能提供2-3K左右的温度。因此如何使用具有高临界温度的超导体（如NbTiIN）在GM制冷机中实现中红外单光子探测变成了亟待解决的问题。
近日，荷兰代尔夫特理工大学的常进博士等人与瑞典皇家理工的研究团队合作，使用优化的NbTiN超导薄膜成功实现了中红外单光子探测。他们系统地研究了此类探测器中的暗计数来源，为中红外单光子探测提供了全新的解决方案。相关结果发表在Photonics Research的2022年第4期上。
该项工作采用优化的多晶NbTiN超导薄膜，其厚度更小，薄膜质量更高，即使在GM制冷机中（温度~3K），利用该超导薄膜制备的单光子探测器在2000nm波长处实现了超过70%的系统探测效率，同时在4000nm波长实现了超过80%的量子探测效率。
代尔夫特理工大学的助理教授Esmaeil Zadeh表示，“中红外SNSPD探测领域仍局限于使用低间隙超导体。我们很高兴能够在传统的GM低温恒温器中展示NbTiN探测器出色的中红外性能。未来面临的主要问题是：长波探测的限制到底在哪里？我们还能走多远？单光子探测的基本物理极限是超导体带隙的2倍，但目前我们距离该物理极限仍有接近100倍的提升空间。如何接近这一极限，并实现一系列的中红外单光子探测的新应用，这是一件非常激动并令人期待的事情。”
代尔夫特理工大学的常进博士提到：“目前超导单光子探测技术日趋成熟，打开中红外单光子探测的窗口将带来一系列革命性的量子光学应用。对于长波单光子探测极限的探索将有助于我们从底层物理层面理解超导纳米线的工作原理。”
未来，常进博士希望利用超导纳米线实现长波红外甚至太赫兹频率的单光子的探测，在该波段内，高质量的单光子探测器将带来宇宙天文学观测的极大提升，有望获得宇宙起源等更深层次的信息，但这需要未来更长时间的专注研究与探索。
瑞典皇家理工大学的Val Zwiller教授评论：“该项工作展示的高效率、高时间精度的单光子探测器将打开中红外单光子探测的窗口，使得更广泛的中红外量子光学实验和应用成为可能。我们将使用这些探测器开展量子显微成像研究，包括生物组织深层次原位探测及搭建环境监测系统等。同时，还将开展一系列中红外量子光学实验，探索单光子探测波长的长波极限。”（文章来源：爱光学）
