可调节的高效微波光子探测器

高效探测单个微波光子是发展量子技术的关键基础之一，但微波光子能量极低（比可见光光子低约10万倍），传统光电转换机制完全失效。此前各类方案（如超导量子比特探测器、约瑟夫森结探测器等）普遍存在需脉冲激发、重置复杂、易受杂散粒子干扰或难以连续工作等问题。本研究另辟蹊径，构建了一种混合器件：在砷化镓/铝镓砷异质结中，用金属栅极定义出双量子点（DQD），再将其与一个由24个约瑟夫森结组成的超导高阻抗微波腔直接连接。该设计有三大优势：一是腔体阻抗极高，显著增强了电荷-光子相互作用；二是双量子点的隧穿速率和能级可通过外加电压实时精细调控；三是量子点自身电荷弛豫极慢，有利于光子吸收后产生稳定电流信号。实验表明，当微波腔频率与量子点能级共振时，入射光子可被高效吸收，并触发电子在左右量子点间跃迁（即“光子辅助隧穿”效应），最终形成可测量的直流电流——其物理机制类似于光学领域的光电二极管，但工作在微波波段。研究人员系统标定了输入光子流强度（通过交流斯塔克频移测量），测得单光子探测效率达约70%，远超以往同类半导体器件。该效率受限于两个主要因素：一是微波馈线向腔体耦合光子的效率（当前约10–85%不等）；二是电子从激发态流向左右电极的“方向性”并非完美（存在少量反向漏电流）。通过优化器件结构（如增强耦合电容、提高腔体谐振频率、降低量子点退相干率），理论预测效率有望突破90%。此外，该探测器具备天然频率选择性（3–5.2 GHz可调）、无约瑟夫森结暗计数风险、支持宽带连续工作，且可与同片集成的量子点自旋量子比特兼容，为构建大规模微波量子网络铺平了道路。