南京大學超導電子學研究所，繼2017年將研制的大口徑超導陣列單光子探測器應用于空間碎片探測和2019年月地激光測距等驕人成績后，近日超導陣列單光子探測器再立新功。從中國電科十四所某試驗外場傳來消息，超導單光子激光雷達系統，實現了對低空大氣層中數百公里外目標的實時跟蹤探測，展現了超導單光子探測器的強大應用潛力。

由于光子是光的最小能量單元，具備單光子靈敏度的雷達系統可將激光雷達系統的性能發揮到極致。在單光子激光雷達系統的研究上，團隊與中國電子科技集團公司第十四研究所攜手合作多年。針對低空大氣衰減和湍流等復雜環境下，遠距離目標高精度探測難題，團隊為單光子雷達系統，最新研制了高靈敏、高精度、高速率的超導陣列單光子探測器，并在今年9月的外場試驗中，大幅度提高系統靈敏度和抗環境雜散光能力，成功實現了數百公里外移動和固定小目標的實時跟蹤探測。圖(1)是單光子激光雷達探測170多公里外山峰的三維重構圖像。

圖(1) 遠距離山坡激光雷達圖像

超導電子學研究所青年長江學者張蠟寶教授，博士研究課題就是超導單光子探測技術，在吳培亨院士的指導下與團隊成員一起攻克了探測器芯片和系統的全部關鍵技術，于2008年研制出我國第一個超導單光子探測器。經過多年的不懈努力，探測器的性能指標不斷提高，從單元器件到陣列芯片，光學口徑從9微米到300微米，儀器系統的整體技術水平達到國際先進，部分指標達到國際領先。

2015年以來，針對國家戰略需求，與云南天文臺等單位合作，將大口徑超導陣列單光子探測系統應用到空間碎片的探測研究中，成功探測到2千公里軌道上，0.04平米的空間碎片，填補了我國小空間碎片高精度探測的空白。2017年，利用儀器的光子數分辨功能，通過光子編碼技術，大幅度提高了系統的抗背景光干擾能力，解決了復雜氣象環境下、長距離目標探測難題。在黃海海域的海面目標探測實驗中，實現了70公里范圍內的穿透云、霧等測量。2018年Science綜述論文(Science 17 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6403, eaat2298, DOI: 10.1126/science.aat2298) 在引用中做了這樣評述：(該工作)證實在有霧條件下的長距離光子探測的可行性。

2019年，與中山大學等單位合作，首次將高時間精度超導陣列單光子探測器用于40萬公里的地月激光測距中，成功測得了月球表面上五組反射鏡的回波信號，且精度達到國際先進水平。2020年初，團隊與中國科學院深圳先進技術研究院合作，基于該高精度超導單光子探測器研制出近紅外二區熒光壽命共聚焦成像系統，首次在近紅外二區波段實現三維多色熒光壽命成像。此外，團隊研制的超導單光子探測器還在衛星激光測距、量子信息、激光通信等多個領域實現應用。

圖(2) 南京大學研制陣列超導單光子探測器芯片

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