近日，中国科学院上海技术物理研究所刘少帅副研究员团队和金沙城js9线路中心科技(上海)有限公司吕超林博士团队在 《红外》上发表了题为“SNSPD用低温制冷技术发展现状和趋势”的综述文章，介绍了SNSPD的探测原理、核心性能指标和主流材料体系，明确了其制冷需求的物理根源与技术要求。然后，按照“应用场景演进”逻辑梳理了从地面推广到空间部署，再到支撑高性能SNSPD的1 K及以下温区制冷技术的发展与突破。最后针对量子技术集成化、规模化需求，展望小尺寸集成制冷机与多通道制冷系统的未来方向，为SNSPD制冷技术的选型优化与研发创新提供参考。

研究背景与思路

2001年，Gol′tsman G N等人利用NbN纳米线首次实现SNSPD研制。凭借独特的物理探测机制与优异的综合性能，SNSPD迅速成为量子信息领域的核心感知器件。与传统的单光子雪崩二极管(SPAD)相比，常规SNSPD在1550 nm红外通信波段展现出显著性能优势：系统探测效率(SDE)可达90%以上，对应的暗计数率(DCR)通常低于100 Hz，时间抖动(TJ)约为50 ps，且无后脉冲效应。这些特性使其成为量子密钥分发(QKD)、量子计算、深空激光通信、生物微弱荧光探测、单光子激光雷达与成像等前沿领域的优选探测器件。随着相关领域的高速发展，行业对SNSPD的核心性能与综合适配性提出了更高要求。

作为典型的低温超导器件，SNSPD的高效稳定工作高度依赖极低温环境。配套低温制冷系统的温区覆盖、温度稳定性、体积功耗等性能，直接决定SNSPD的探测指标与工作可靠性，更是制约其从实验室基础研究迈向规模化、工程化应用的核心瓶颈。当前，国内外研究大多聚焦于SNSPD器件本身的材料改性、结构设计和性能优化，而针对其配套低温制冷技术的全场景、全温区系统性梳理与对比分析仍较为匮乏。基于此，本文围绕SNSPD的低温制冷需求与技术要求，系统梳理SNSPD专用低温制冷技术的发展脉络，分类阐述不同温区、不同应用场景下制冷方案的工作原理、技术进展与优劣势，明确当前技术发展的核心瓶颈，并展望未来研发与应用趋势，为SNSPD制冷技术的选型优化、研发创新以及工程化落地提供参考和指引。

SNSPD制冷技术的发展脉络与分类体系

随着SNSPD从实验室基础研究逐步拓展至地面量子应用、空间载荷探索，并向高性能、集成化方向迭代，其配套低温制冷技术的发展同步经历了四个核心阶段。结合制冷技术的发展水平以及SNSPD的应用需求，现有低温制冷方案主要可划分为两大温区，对应不同的材料体系与应用场景，形成了清晰的分类体系：

一是液氦温区制冷(1~4 K)，主要适配NbN、NbTiN等铌基材料体系的SNSPD。核心制冷方案包括液氦杜瓦、GM制冷机、GM型脉管制冷机等，广泛应用于地面量子通信、实验室研究等场景，技术成熟度高、成本相对可控。

二是亚开尔文温区制冷(小于1 K)，主要适配WSi、MoSi等硅化物材料体系的高性能SNSPD。核心制冷方案包括吸附制冷(SR)、绝热去磁制冷(ADR)、稀释制冷(DR)以及复合制冷系统，可显著提升器件的探测效率、降低暗计数率，适配空间探测、精密光谱测量等高端场景。

面向高性能SNSPD应用的亚开温区(<1 K)制冷技术

目前SNSPD的响应波长已拓展到10 μm附近，Taylor G G等人甚至将SNSPD的光谱灵敏度扩展至29 μm波长(见图1(b))。这一拓展为光谱学、气象监测、遥感、生物医学、系外行星探索等中远红外探测领域提供了高效实现途径。此时，前述液氦温区的制冷方式已难以满足其发展需求。因此，吸附制冷、绝热去磁制冷、稀释制冷等亚开温区制冷技术，逐渐成为支撑SNSPD向宽响应波段拓展、高性能SNSPD研发以及多通道系统集成应用的关键低温保障。三种技术都已经形成了成熟的商业化产品，如图1(c)所示。它们在高性能SNSPD的应用过程中发挥着重要作用。

图1 (a)单光子探测器技术及其已证明的波长灵敏度概述；(b)基于250 mK下的测量数据，针对一系列光耦合效率，计算SNSPD在15 μm、 18 μm和29 μm波长处的噪声等效功率；(c)实现亚开温区制冷的主要商业化产品(左：吸附制冷机； 中：绝热去磁制冷机；右：稀释制冷机)；(d)稀释制冷机商业化产品及研究机构性能对比；(e)绝热去磁制冷机及吸附制冷机的部分产品性能对比；(f)吸附制冷机在中远红外SNSPD的测试系统中的应用； (g)吸附制冷机用于中红外SNSPD实现激光诱导红外荧光； (h)稀释制冷机在中远红外SNSPD中的应用

总结与展望

本文围绕SNSPD的低温制冷需求，系统梳理了SNSPD用低温制冷技术的发展脉络与研究现状，明确了制冷技术的发展与SNSPD的应用需求、材料特性密切相关。液氦温区制冷技术(液氦杜瓦、GM制冷机、脉管制冷机等)已实现成熟化、规模化应用，支撑SNSPD从实验室走向地面量子应用与空间探索；亚开尔文温区制冷技术(吸附制冷、绝热去磁制冷、稀释制冷等)则成为支撑高性能SNSPD发展的核心，复合制冷系统进一步突破了单一制冷技术的局限，实现了低温性能与应用需求的平衡。截至目前，SNSPD的商业化装机量已超1000套，其工程化应用的发展也推动了低温制冷技术向小型化、高效率、低功耗、高集成化方向迭代。

尽管SNSPD用低温制冷技术已取得显著进展，但结合工程化应用与高性能需求，仍存在四大核心瓶颈：一是空间应用制冷系统的SWaP特性仍需优化，轻量化、长寿命与高可靠性的平衡难度较大；二是亚开尔文温区制冷系统的制冷功率较低，难以适配多通道集成SNSPD的需求，且成本高昂；三是制冷系统与SNSPD的集成度不高，热桥设计不合理，导致制冷效率下降、噪声干扰增加；四是无液氦制冷技术的低温性能仍需突破，部分高性能场景还依赖液氦杜瓦或稀释制冷机，运维成本较高。

结合SNSPD的性能升级与应用场景拓展需求，未来SNSPD用低温制冷技术将沿着“性能提升、成本下降、场景拓展、集成化升级”的主线稳步演进，重点研发方向包括：

(1)空间用轻量化、长寿命制冷技术。优化斯特林型脉管制冷机、JT复合制冷系统的结构设计，采用新型绝热材料与工质，进一步降低设备重量和功耗，提升空间环境适应性与寿命，满足SNSPD空间载荷的应用需求。

(2)亚开尔文温区高功率制冷技术。突破吸附制冷和绝热去磁制冷的功率瓶颈，优化复合制冷系统的热管理设计，提升亚开尔文温区制冷功率，适配多通道集成SNSPD的需求，同时降低系统成本。

(3)制冷系统与SNSPD的高度集成技术。优化热桥设计，减少热泄漏，降低制冷系统的振动和电磁噪声，实现制冷系统与SNSPD的一体化集成，提升系统整体性能和稳定性。

(4)无液氦极端低温制冷技术。重点研发无液氦亚开尔文温区制冷机，突破小型化、低功耗技术瓶颈，替代液氦杜瓦与稀释制冷机，降低运维成本，推动高性能SNSPD的规模化应用。

(5)国内技术自主化突破。聚焦我国在SNSPD制冷技术领域的短板，加强科研机构与企业的协同研发，突破核心部件(如压缩机、脉管、节流阀)的自主化生产，提升我国在该领域的技术竞争力。

论文信息

魏子奇, 吕超林, 陈志超, 等. SNSPD用低温制冷技术发展现状和趋势 [J]. 红外, 2026, 47(2): 77-92.

Ziqi Wei, Chaolin Lyu, Zhichao Chen, et al. Current Status and Development Trends of Cryogenic Cooling Technologies for SNSPD [J]. Infrared, 2026, 47(2): 77-92.

论文链接

https://doi.org/10.11972/j.issn.1672-8785.2026.02.006