文/陆既白
编辑/世界
哈喽，大家好！我是你们的小陆，现在国际上面临着激烈的量子信息竞争，不管是什么核心元器件在国际上都受着重要的地位，而我们的科学家从0到99%，终于实现了我们的一个个目标，现在就让小陆带着大家来了解一下，我们的科学家都做了些什么？
在量子通讯、深空探测等前沿科技领域，单光探测效率是个绕不开的核心指标，这个听起来晦涩的专业术语，用大白话解释其实很简单。
可以把探测器想象成一个精准的“光子捕捉器”，单光探测效率就是它的“命中率”，假设100个光子依次朝着探测器飞来，最终能被成功捕捉并识别的光子数量，占这100个光子的比例，就是单光探测效率。
举个直观的例子，要是100个光子里能探测到90个，那效率就是90%，这个指标直接决定了探测器的性能上限，效率越高，对微弱光信号的捕捉能力就越强，在科研和实际应用中的价值也就越大。
在量子保密通讯中，单光探测效率的高低，直接影响通讯的安全性和传输距离。
深空探测领域，更是要靠高灵敏度的探测器捕捉遥远天体发出的微弱光信号，单光探测效率每提升一个百分点，都可能带来新的科学发现。
国际上早把这个指标当成衡量光探测技术水平的核心标尺，《自然·光子学》曾在2022年的报道中提到，单光探测效率突破95%，是诸多尖端光电子技术走向实用化的关键门槛。
单光探测技术的发展，从来不是一蹴而就的。整个领域的进步轨迹，就是不断排查光子“失踪”原因、持续优化探测器性能的过程。
中国团队在这个领域的探索始于2007年。当时全球单光探测技术普遍落后，主流效率只有百分之几，别说参与国际竞争，就连满足国内基础科研需求都很困难。
科研团队从零开始，一点点梳理光子未被探测到的症结，是光没精准打到探测器上，还是打到了却没被吸收，又或者吸收了却没产生有效信号？这些问题都需要逐个攻破。
这一钻研就是十几年。2017年，团队终于实现重大突破，单光探测效率达到90%，这个成果让中国在该领域彻底摆脱跟跑状态，跻身国际先进行列。
科研团队没有停下脚步，继续向更高效率发起冲击。光通讯领域常用的1550纳米波段，是技术攻坚的重点方向，这个波段的光在光纤中传输损耗最小，是长途光通讯的理想选择，对探测器的性能要求也更为苛刻。
经过持续优化，当前中国在1550纳米波段的单光探测效率已达到99%，这意味着100个入射光子里，仅仅会漏掉1个。
《中国科学·物理学 力学 天文学》2024年的专题报道中，明确将这个成果列为国际范围内该领域的最优结果，2020年是这个攻坚过程中的关键里程碑。
这一年，中国团队首次实现98%的单光探测效率，相关研究论文一经发表，就引发国际同行的广泛关注。
论文发表后的两三个月内，美国和荷兰的顶尖团队也相继报道了相近成果，效率均稳定在98%左右，这也从侧面印证了98%这个节点的技术难度，是全球科研团队共同瞄准的重要目标。
从2020年的98%到如今的99%，看似只有1个百分点的提升，背后却耗费了科研团队数年的心血，行业内都清楚，接近极限时的技术提升，难度往往呈指数级增长。
就像运动员冲刺世界纪录，从10秒跑到9秒9，和从9秒9跑到9秒8，后者需要付出的努力远超前者，这1个百分点的突破，背后是无数次的参数调整和实验验证。
要让单光探测效率无限接近100%，必须攻克三大核心难题，这三大难题环环相扣，还存在相互制约的矛盾，任何一个环节的优化都可能影响其他环节的表现。
第一个难题是保证光子精准耦合，这就要求探测器的光敏面足够大，能稳稳接住所有入射的光子，要是光敏面尺寸小于入射光斑，一部分光子就会直接打空，造成无谓的损失。
可光敏面做大也会带来新挑战。光敏面面积越大，对应的线路长度就越长，对器件整体均匀性的要求也会急剧提升，就像铺一块超大的瓷砖，面积越大，越容易出现平整度问题。
第二个难题是实现光子的充分吸收，就算光子精准打到光敏面上，要是没被吸收，要么穿透器件跑掉，要么被反射出去，同样无法被探测到。这就需要给探测器设计特殊的光学结构。
科研团队在这个环节做了大量创新，设计出多种复合光学结构。目的就是让入射光子在器件内部多“待一会儿”，最大限度提升吸收概率，确保每一个到达的光子都能被超导纳米线捕获。
第三个难题是保障吸收后的有效响应。光子被吸收只是第一步，最终要转化为可识别的电脉冲信号，才算完成一次有效探测。理想状态下，每个被吸收的光子都该对应一个清晰的电脉冲。
实际研发中，这三大环节的优化常常相互矛盾，调整一个参数改善了某个环节的性能，很可能会让另一个环节的表现下滑，陷入“按下葫芦浮起瓢”的困境。
团队花费近十年时间钻研的，就是理清这些参数之间的关联，找到平衡各方性能的最优解。光子吸收效果和光学薄膜的厚度、宽度密切相关，这些参数的细微变化都会影响吸收效率。
更关键的是，用于制造探测器的超导材料本身非常薄。薄膜的厚度和宽度调整，不仅影响光吸收效果，还会直接改变超导材料的超导性能。而超导性能又决定了探测器的本真效率和响应灵敏度。
这就意味着所有参数都不能随意调整。每一次调整都要经过精密计算，确保在优化一个指标的同时，不会对其他核心性能产生负面影响。
为了解决这个难题，科研团队提出了诸多创新思路。其中两层薄膜夹心结构的设计，就是极具代表性的突破。通过在两层超导薄膜中间加入特殊介质层，巧妙平衡了光吸收和超导性能之间的矛盾。
这种创新设计被《光学快报》报道后，得到国际同行的广泛认可。不少海外团队借鉴这一思路开展研究，推动了全球单光探测技术的整体进步。
从最初的百分之几到如今的99%，中国科研团队用十五年时间，在单光探测领域完成了从跟跑、并跑到领跑的跨越，这背后是科研工作者脚踏实地的坚守，是面对技术难题不退缩的攻坚精神。
前沿科技的突破从来不是孤军奋战，每一个核心指标的提升，都是无数科研人智慧与汗水的结晶，单光探测效率的持续突破，不仅彰显了中国在光电子领域的技术实力，更为量子通讯、深空探测等关键领域的发展奠定了坚实基础。
未来，随着科研团队的持续探索，相信单光探测效率还会向更高水平迈进，中国科研人这种攻坚克难、追求极致的精神，终将推动更多前沿技术实现突破，为国家科技实力的提升注入源源不断的动力。
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