2026年8月24日——日常生活中充满了光子，即构成光的量子基本单元。对于从量子计算到深层组织成像等前沿技术而言，探测每一个光子都至关重要。

“光子携带信息，”美国国家标准与技术研究院（NIST）博士后研究员Kristen Parzuchowski表示。“每当一个光子进入你的测量系统，你都需要能够探测到它。”

光子可以在量子网络或深空通信链路中传输数据。捕获并分析光子使科学家能够构建生物医学图像，并在宇宙中搜寻暗物质。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是在所有这些应用中捕获光子的最佳方式。顾名思义，它们利用超导现象——即电流无电阻流动——来探测单个光子。单个光粒子会在电流中产生微小的扰动，从而破坏超导状态并触发可测量的电信号。多年来，NIST对这些器件进行了大幅改进，目前已能探测到入射光子的98%。

然而，SNSPD仍存在一些缺点。它们通常需要高度专业化的纳米级制造工艺。最重要的是，超导探测器的边缘限制了探测器性能。众所周知，能够承载更大电流的探测器性能更优，但制造缺陷限制了最大电流。

NIST研究人员决定将思路放大。在一篇发表于Optica的新论文中，NIST研究人员发现，他们可以将超导导线加宽至十分之一毫米——比典型SNSPD宽100倍以上——从而简化光子探测器的设计和制造工艺，并通过一种方法释放出材料的真正性能潜力。

“通常，所有人都在致力于把导线做得越来越细，这使得制造工艺日益具有挑战性，”Parzuchowski说。

SNSPD通常使用一根100纳米宽的超导材料导线，连接至读出电路。电流像水流经河流一样流过导线。当一个光子击中导线，就像一块岩石落入河中，会产生一个热点扰乱电流。该热点产生一个电压脉冲，由读出电子器件拾取。

NIST博士后研究员Eli Mueller指出，科学家此前认为SNSPD中的超导导线必须处于纳米尺度，才能将光子穿越导线时产生的微小“扰动”最大化。

“光子的能量需要在整个导线宽度上打破超导状态，”他说。“要让器件在光子能够打破100微米宽超导状态的条件下工作是非常困难的，因此器件宽度需要保持在数百纳米量级。”

由于这种纳米级尺寸，SNSPD不得不在较低的电流下工作，这意味着能量较低的光子不会产生那么大的扰动，更难被探测到。读出信号也更微弱。电流的表现也并不完美：它不会均匀地流过导线。Parzuchowski补充说，缺陷还会导致电流沿边缘积聚，就像河流中的漩涡或涡流一样，产生称为暗计数的虚假信号。

“如果我们能让器件中间区域流过比以前更大的电流，那么我们就能在任意宽的导线上产生热点。正是这个热点产生了输出脉冲，”Mueller解释说。“如果器件的工作状态更接近超导态与正常态之间的转变点，那么它仍然对极低能量的光子保持敏感。”

如何解决这个问题？给它加上轨道。

这些超导轨道位于中心导线两侧，并以相同方向传导电流，从而产生磁场。轨道的磁场与中心导线的磁场相遇，共同重新分配电流的流动——不再有电流沿边缘积聚。电流流动的均匀化使该团队能够最大化超导导线可承载的电流量，并将其尺寸放大。宽SNSPD还对偏振不敏感；无论光子电场的“摆动”方向如何，探测器都能将其捕获。现在，每个光子都会产生更明显的扰动，团队可以轻松读取。

“多年来，研究人员一直试图接近这些探测器的最佳性能，但一直不清楚能推进到什么程度。现在我们已经证明，你实际上可以达到固有的性能极限，”Parzuchowski补充道。

该团队已将导线加宽至十分之一毫米，而且还有可能做得更宽，该团队负责人、电子工程师Marty Stevens补充道。

Stevens表示，目前尚不清楚宽SNSPD能否达到与其纳米级同类产品相同的98%效率，还需要更多测试。不过，该团队用这些器件创造了一项新纪录——暗计数降低了十亿倍。

“这非常令人震惊，”Parzuchowski回忆道。“我们把组里的其他人叫进房间，对他们说，‘快看这个，这太疯狂了！’”

这种新架构制造起来更简单，使得大型探测器的生产更加容易。尺寸和灵敏度的提升使探测器能够捕获更多光子，这在光源极其微弱且不易受控的场景中尤为理想。这对弥散相关光谱等医疗成像技术很有用——将一束光射入人体组织，并收集散射光以测量血流量。另一个应用是天文学，探测微弱的低能量光对于研究遥远星系的特征至关重要。

“在许多应用中，你需要处理的光子数量屈指可数。理想情况下，你需要探测到所有光子，”Parzuchowski说。