南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授课题组完成的"小型化超导单光子探测系统"（专利号：CN 119845413），荣获第51届日内瓦国际发明展金奖。该成果克服了超导单光子探测集成中的强电-极弱信号和强发热-超低温两大矛盾，实现多通道超导纳米线探测器集成与并行工作，是超导单光子探测系统小型化的重要突破，为量子信息、深空激光通信、卫星激光测距、生物医学成像等领域提供了小型化高性能解决方案。

图1 获奖证书和奖章照片

日内瓦国际发明展创办于1973年，由瑞士联邦政府、日内瓦州政府、日内瓦市政府与世界知识产权组织（WIPO）联合主办，是全球历史最悠久、规模最大、权威性最高的国际发明盛会，位列全球三大发明展之首，被誉为"发明界的奥林匹克"。评审团由来自全球各领域的80余位独立专家组成，金奖仅授予具备原创性突破、重大产业价值与广阔应用前景的创新成果。面向超导纳米线单光子探测器（SNSPD）小型化的迫切需求，张蜡宝教授带领王志豪、戴懿、陈奇等核心成员，从空间架构、低温热设计、散热风道、电磁屏蔽、模块化电控五个维度系统性重构整机方案，在体积压缩、多通道集成、信噪比保障等方面展现出核心优势，获得评审委员会一致高度评价。

图2 研制的单模光纤耦合和多模光纤耦合超导单光子探测系统

本成果核心技术创新体现在如下五个方面。

（一）窄型并行空间布局，大幅压缩整机尺寸

团队首创"压缩机—恒温器平行并排"一体化架构，摒弃传统"压缩机在下、冷头在上"的纵向堆叠模式。压缩机采用方形窄长卧式分层设计，整体尺寸优化为长500–550mm、宽250–300mm、高450–500mm，大幅缩减整机体积。配套椭圆形窄长低温恒温器，沿椭圆长轴方向预留探测器安装空间，最大化利用内部容积。通过并行排布设计，整机纵向高度被压缩至0.5米以内。

（二）倒置悬挂热沉设计，极致利用低温空间

团队提出超导探测器倒置悬挂方案：多组探测器通过高热导固定板、反向悬挂连接器安装于二级冷台背面，充分利用一级冷台与二级冷台之间的闲置夹层空间，避免探测器正向安装占用顶部层高的问题。二级冷台正反两面均设置梯度热阻层，保障优异的导热效率与温度稳定性。样品盘与冷台接触面填充铟金属强化热传导，一级冷台上方设置全覆盖热屏蔽罩隔绝热辐射，配合高精度温度计实时监测，实现毫开级温度稳定性。

（三）双层屏蔽电控架构，保障微弱信号信噪比

单光子探测信号幅值仅微伏级别，电磁干扰是小型化系统的核心瓶颈。团队自主研发分层屏蔽式探测器电控模块，采用上下两层独立屏蔽结构体：上层放置四路小信号读出模块，下层布置控制电路模块，层间连接采用穿墙电容连接器，在实现信号互通的同时彻底阻断层间电磁串扰。配套高隔离电源子模块，从供电源头隔绝大功率制冷设备的电磁噪声对小信号放大电路的干扰。单套电控模块可同时支持16单元超导探测器并行读出控制，是国内同类小型化系统中通道密度最高的方案之一。电控单元全部采用模块化可插拔板卡设计，模块间采用RS485标准化通信，支持自由组合拓展通道数量，兼顾小型化、多功能与可维护性。

（四）三路并行单向风道，化解冷热共存矛盾

小型密闭机箱内，压缩机高热量与冷头极低温天然对立，传统混流散热易导致冷头热负荷升高、制冷效率下降。本发明设计三路独立并行单向风冷散热路径：冷头区域、探测器电控模块、压缩机电控模块分别形成独立进风通道，气流统一经由压缩机壳体外圈散热网排出，从气流路径上彻底隔离热源与极低温探测单元。压缩机壳体兼具散热与电磁屏蔽双重功能，配合整机共地设计与强弱电分区隔离，从物理层面阻断热源辐射与电磁串扰。

（五）全接口集成恒温器，实现整机一体化封装

椭圆形恒温器沿长轴方向一体化集成真空转接口、SMA射频转接、SMA出线口与备用拓展接口，真空、光路、射频信号独立馈通，无需额外外接转接设备，简化整机布线与外部配套。整套系统将GM制冷机、低温真空恒温器、阵列超导探测器、强弱电双电控模块全部集成于单一标准机箱内，摒弃传统设备制冷、电控、探测分体搭建模式，出厂即可完成整机调试，用户无需自行组装低温系统与读出电路，大幅降低使用门槛。

该系统核心部件全国产，拥有完整自主知识产权。较同类产品具备三大核心优势：一是连续稳定的极低温环境；二是高通道密度集成，在0.5米级整机中实现16通道并行读出；三是全场景成本优势，一体化设计大幅缩减设备占地，模块化结构便于故障快速替换，生产、使用和维护成本显著降低。

团队瞄准国际学科前沿，深耕基础研究，开展多学科融合交叉，服务国家重大战略需求。课题组所在南京大学超导电子学研究所是国际超导电子学研究的重要基地，在吴培亨院士带领下，数十年坚持面向国家重大需求开展基础研究与技术攻关，形成了"基础研究—器件研发—系统集成—工程应用"的完整创新链条，培养了一支覆盖材料、器件、电路、系统的全链条研究队伍。团队瞄准国际学科前沿，通过电子、物理、低温、材料、生医等多学科交叉，攻克超导单光子探测领域小型化难题，服务国家重大战略需求。