单光子探测器是量子通信、量子计算等前沿领域的关键基础器件。在集成量子光子学平台上，需要高性能、可扩展的单光子探测阵列。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）以其高探测效率、极低暗计数率和优异的时间分辨能力成为该领域的首选器件。

然而，传统SNSPD阵列在规模化集成时面临读出通道复杂、功耗高和速度下降等问题。为此，国内外研究者提出了时分、频分、行列多路复用等方案，但这些方法普遍存在线路复杂、速度受限或集成困难等局限。

针对上述瓶颈，该团队提出并实验实现了一种 “幅值编码（amplitude-encoded）”超导单光子探测器阵列。该设计通过在串联的纳米线像素上并联不同阻值的电阻，使得不同像素在被光子触发时产生幅值可区分的输出脉冲。这样，多个像素的探测信息可通过单一读出通道获得，从而极大地简化了系统结构。

图1 器件结构示意图

在实验中，研究团队实现了12像素的单通道幅值编码阵列，仅用一根同轴电缆即可完成高保真区分。每个像素对应的脉冲幅值经高斯拟合后清晰可分，最小幅值分辨保真度达到99.5%。实验制备的探测器在偏置电流为24 μA时，暗计数率低于2 Hz，恢复时间约为37 ns，最高计数率可达27 MHz，展示出优异的信噪比与稳定性。

图2 器件12个像素幅值分布

研究团队进一步利用该器件实现了基于单光子吸收位置的量子随机数发生器（QRNG）。通过对幅值分布进行数字编码，将随机吸收事件映射为二进制随机序列。经Toeplitz矩阵抽取算法后获得的随机比特流通过了NIST 800-22随机性测试的全部项目，验证了其真随机性与统计独立性。该结果表明，幅值编码SNSPD阵列不仅能用于多通道光子探测，还能作为高速、低功耗的量子随机源，在量子通信与量子信息处理领域具有重要应用潜力。

图3 序列随机性测试及自相关度测试

该工作在实验上实现了单通道读出、高分辨率、多像素超导光子探测，为片上大规模量子光子电路的集成化提供了新的技术路径。相较于传统的延迟线或频率复用方案，幅值编码结构无需复杂解复用电路，大大降低了设计难度和读出负担。

未来，团队将进一步提升器件的填充因子和光学耦合效率，并探索百像素级规模阵列与集成光子芯片结合的实现路径，为构建大规模超导量子信息处理系统奠定基础。该研究成果于2025年10月30日发表在Appl. Phys. Lett. 127, 172603 (2025)。