科学家提出超导纳米线组合延时逻辑方法，能用于高维量子编码

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员孔令东-尤立星团队，提出基于微波时域编码的组合时间逻辑架构，并打造出一种超导纳米线双光子空间符合计数器。

他们通过融合微波传输线延迟特性和计算数学组合优化策略，开发了动态规划算法，构建了大规模空间态双光子位置编解码的理论方案，克服了传统延迟线上单光子-双光子事件的信号混叠效应。

通过此，他们实现了三大创新结果：

首先，他们协同超导非平衡电热反馈过程和阻抗匹配电路设计，将单个单元响应的光子数信息映射至脉冲幅度，其中双光子分辨保真度达 95%。

其次，他们仅用两个读出端口，实现了 16 通道原型系统的 152 种全事件类别解析：16 种 C(16,1) 单光子事件+120 种 C(16,2) 双光子在不同单元的事件+16 种 C(16,1) 双光子在相同单元的事件，读出保真度达 98%。

再次，他们实现了增强的可扩展性，可以通过直接串联探测器和延迟线提升空间规模，并且具有双光子自符合特性，无需外接符合处理电路。

目前，他们正在努力提升光子数和完善器件效率，未来主要可以应用于量子信息领域，例如在玻色采样中，多光子符合计数用于验证量子优势，通过空间模式干涉完成复杂计算任务。

在高维量子编码中，可以利用光子的空间模式进行高维信息编码，符合探测器实现多通道同步验证，显著提升通信容量和抗干扰能力。

在量子纠错与逻辑门操作中，可以通过空间符合检测光子簇态中的错误，辅助实现容错量子计算。

跨越数年的“不能放下”之课题

多光子纠缠和干涉作为量子光学研究的核心手段，是揭示量子力学基本规律中非经典现象的关键。

当前技术已能通过激光束聚焦非线性光学晶体稳定制备纠缠光子对，结合精密单光子操纵和探测技术，该体系不仅为量子力学基础验证提供了实验平台，更驱动着量子计算、量子通信和量子成像等颠覆性信息技术的创新发展。

这些突破性进展同样得益于多通道多光子符合测量技术的发展，以实现空间相关特性表征和高维量子纠缠分析。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD，Superconducting Nanowire Single-Photon Detector）具有以下卓越性能指标：98% 大于效率、GHz 级响应速度、ps 量级时间抖动、暗计数率小于 1Hz。因此，其已成为光量子信息领域的关键使能技术。

但是，研制基于 SNSPD 的多光子空间符合计数器面临两大挑战：

（1）SNSPD 作为典型“开关型”探测器，其光子诱导的热点电阻经历雪崩式极端非线性放大过程，导致输出信号呈现二值化特征，所以固有的光子数分辨能力缺失；

（2）随着量子光学系统向更高计算复杂度演进，光子线路规模扩展、纠缠维度提升，对光子数分辨探测器的数量需求呈几何级增长；这在当前的分立式探测器架构下给低温负载和读出电子学带来了严峻挑战。

孔令东表示自己在读博士的时候，就意识到超导延迟线只能分辨一个光子，这是它的一大不足，但是一直没有方案可以解决。

传统的双端读出的超导延迟线技术只能分辨单个光子的位置。因为探测单元之间默认用相同长度的延迟线进行连接，延迟时间具有对称性，会把双光子的位置（i 和j）误判为位于两个光子中间点的伪单光子位置 (i+j)/2。

假如有四个探测器位于位置 1、2、3、4，它们之间通过三段相同长度的延迟线连接起来。例如两个光子落在位置 1 和位置 3，所读取的两端脉冲的时间差，和一个光子落在位置 2 是相同的。

读博时期，他的同学在这方面做过一些工作，借此判断出少量双光子与单光子事件的不同，例如光子落在位置 1 和 2，其时间差（等效于一个光子落在 1.5 位置）和其他所有事件都不同，因此可以被区分开。

但是，如果两个光子落在 1 和 3，这与一个光子落在 2 相同；如果两个光子落在 1 和 4，则和两个光子落在 2 和 3 相同。所以总体而言是不完备的，大部分不同的事件都无法分辨。

这个问题隐隐约约一直在孔令东脑海里萦绕。一开始，他采用指数级扩展序列，但是显然随着探测数量的增加，延迟线的总长度也呈现指数级增加，这不利于器件扩展性。后来，其从计算机科学的贪心算法受到启发，设计了动态规划算法，诞生了器件中最终使用的延时序列。

再后来，他在实验中发现该双光子探测还存在一个漏洞：尽管拓扑优化了时间序列，但是通过双端口的延时差只能分辨单光子事件和双光子在不同单元的事件。

如果两个光子落在同一个单元，则延时差和一个光子落在该单元一模一样。受到自己和其他团队之前工作的启发：两个光子比一个光子落在同一个单元所产生的热点电阻大。

于是，他通过精细地调控纳米线的横截面和读出电路的阻抗匹配，把热点电阻的大小映射到响应脉冲幅值上，使得单个像素不同光子数的响应脉冲幅度呈现明显的差异。就这样，漏洞被修复了。

在团队工程师的帮助下，通过不断迭代优化纳米线的制备工艺，终于将 16 单元的器件制备出来。得益于实验室完善的器件测量平台，顺利地测到了所有单光子和双光子事件，并与入射光统计结果完美匹配。

牙签和洗澡的灵感

另据悉，解决双光子符合探测难题的核心突破，源自生活中一件小事的启发。某日清晨，孔令东尝试将一根牙签掰成等长的两段，但他发现随意一掰，两端牙签的长度并不相同。

孔令东再把这两根牙签恢复成原样，很显然折断点不在牙签的中点。盯着这根牙签，他突然灵光一现：如果把三个探测器分别置于牙签的端点和折断点，那样当端点两个探测器探测到光子时，测量的时间差等效于牙签中点处虚拟探测器探测到光子。但是，这个位置和折断点的位置并不重合，那样不就能区分开两个端点的双光子事件和折断点的单光子事件。

这让其意识到这也许是双光子探测的突破点，但是如何设计器件结构还是没有具体思路。

后来晚上洗澡期间，这个现象又突然蹦到孔令东的脑海中，他一下子意识到，双光子探测的核心突破点在于打破响应脉冲延迟时间的对称性，也就是说，探测器之间的延迟线序列不能按照默认的均匀长度，而是要改成不同的长度。

赶紧洗完澡后，孔令东立即坐到办公桌前，在草稿本上画出示意图，设计连接 4 个探测器之间的三段时间序列：1、2、4。再计算所有的 4 个单光子的延迟时间差和 6 个双光子的延迟时间差，果然都不相同。

于是他坚信，可以设计一个时间序列来连接所有的探测器，使得所有单光子和双光子事件的时间差均不相同。“这就是该项工作最初的诞生，也是最难忘的地方……”其表示。

日前，相关论文以《一种具有组合时间逻辑和幅度复用的超导纳米线双光子符合计数器》（A superconducting nanowire two-photon coincidence counter with combinatorial time logic and amplitude multiplexing）为题发表在Nature Photonics[1]，孔令东是第一作者兼共同通讯作者，尤立星担任共同通讯作者。

当前的研究成果还局限于分辨两个光子的位置。在该项目的研究过程中，他们还诞生了新的思路，目前正在研究可以同时分辨超过 16 个光子数和空间态的高效率单片集成符合计数器，将在不久地将来实现突破。他们将从三个方面入手：

（1）数学优化难题：首先针对纠缠光子对测量的基础需求，进一步优化双光子探测器结构。双光子探测器需要很长的延时序列，不利于可扩展制备，这背后涉及 NP-hard 类组合优化问题；他们正在构建更智能的算法尝试找到最优解。

（2）物理响应模型：多光子协同作用导致响应波形特征化，但缺乏理论模型和鉴别方法；他们正在尝试结合超导纳米线的物理特性和人工智能思路，设计物理信息融合的深度学习方式，帮助发掘波形特征；最终设计新型结构的器件，可以直接同步读出所有单元响应的信号。

（3）器件参数互斥：超长且稀疏的纳米线结构导致量子效率、光吸收率、微波串扰相互约束；他们将设计新型的异构集成器件，来实现这些参数的解耦或联合优化，并尝试将探测效率提升至 90% 以上。

参考资料：

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：何晨龙、刘雅坤