探测单个光子已具挑战，而在微波频段探测单个光子更为困难。微波光子是Wi‑Fi、雷达等技术所用电磁辐射的能量量子，其能量远低于可见光光子，约为后者的十万分之一。

许多量子技术需要高可靠性的单光子探测。可见光领域常用的做法是将入射光直接转换为电信号，但在0.3–30 GHz的微波频率范围内，单个光子能量不足以在材料中释放电荷，使得上述方法难以适用，因此需要不同的探测策略。

洛桑联邦理工学院（EPFL）Pasquale Scarlino领导的研究团队近日报告了一种基于半导体的微波光子探测器，目标是实现可连续工作的微波单光子探测。相关成果发表在《Science Advances》。

该器件将半导体“双量子点”结构与超导微波腔结合：微波腔作为微小谐振电路，可捕获并储存微波光子并增强相互作用；双量子点则将光子吸收事件转化为微小但可测量的电流信号。Scarlino表示，这项工作为量子微波光学、量子传感以及可扩展量子信息平台带来新的研究视角。

由双量子点与超导腔构成

探测器核心为双量子点，即两个微小半导体“岛屿”，每个岛屿可容纳一个电子。研究人员在砷化镓/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）异质结构半导体芯片上布置金属栅极来定义量子点区域。该异质结构承载高质量二维电子气体，使单电子操控成为可能。

其中一个金属栅极与由约瑟夫森结阵列构成的超导腔相连。约瑟夫森结由两层超导体夹一层薄绝缘层构成，可支持量子电流并形成可调微波电路。该腔体可储存频率在3至5.2 GHz之间的微波光子。研究团队指出，腔体的高电阻抗可产生更强电场，从而增强其与量子点电子电荷的耦合。

将光子吸收转化为直流电流

当微波光子进入腔体，且其能量与双量子点能级分裂匹配时，光子可被量子点中的电子吸收并激发系统，使电子在两个量子点之间移动。随后电子通过隧穿效应转移至附近的储存库，形成微小直流电流。研究人员通过测量该电流来确认光子吸收事件。

在性能评估中，团队先通过测量器件能级变化来确定入射微波信号强度，并在逐步提高微波功率的同时测量双量子点两侧电子储存库之间的源漏电流。结果显示，当信号弱到任一时刻的平均光子数不足一个时，电流随入射光子数呈正比增长。

探测效率最高接近70%，支持连续工作

研究团队报告称，在不同调节条件下，系统对入射光子的探测比例介于55%至67.7%之间，最佳调节时接近70%。研究人员表示，这意味着进入系统的大多数光子可被转换为可测电信号，对基于半导体的微波探测器而言是一项进展。

该器件还具备连续工作能力：光子被吸收后，系统可在数纳秒内通过电子在量子点间的进出实现自动复位，从而准备下一次探测。研究团队称，其整体性能与其他先进微波光子探测器相当。由于器件基于半导体量子点，研究人员指出其在理论上可与自旋量子比特集成于同一芯片，为连接微波光子学与基于半导体的量子计算提供可能路径。