超導納米線單光子探測系統數字化監控平臺研究*

汪 旭,尤立星,,3，成 明，蔣燕陽，王永良

(1.中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥 230026；2.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050；3.上海賦同科技有限公司，上海 200000；4.浙江賦同科技有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

超導納米線單光子探測(Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD)是一種新型單光子探測技術[1]，具有高探測效率、低暗計數、低時間抖動等優良特性，廣泛應用于量子通信、激光雷達、激光成像等領域[2-6]。伴隨量子通信的快速發展，作為量子通信系統重要的核心模塊之一[7]，SNSPD系統產業化是大勢所趨。

目前全球有多家小型高科技公司從事SNSPD的商業化開發工作，但缺少一套相對成熟的SNSPD數字化監控平臺。

2016年蘭州理工大學針對SNSPD探測自動化實現了系統運行的實時數據讀取和手動按鍵啟停設備控制[8]。

本文所述平臺基于對SNSPD系統數據實時監測進行整套系統自動升降溫控制和系統安保設計。通過搭建系統集成硬件平臺與基于傳輸協議/網際協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)網絡議協[9-10]、RS-232串口協議的通信軟件，實現一鍵控制系統從液氦溫區到室溫(4～300 K)的升降溫過程。同時基于監測的系統設備運行狀態、系統溫度及壓強等參數進行邏輯分析以引入故障應急措施，保護科研設備。SNSPD數字化監控平臺能降低操作人員的專業素質要求，避免了人工監督和四大子系統之間的復雜邏輯關系，利于SNSPD推廣和用戶體驗友好，大幅提升探測系統可操作性[11]和安全性，推動SNSPD在量子信息相關應用領域產業化進程。

1 SNSPD數字化監控平臺構成

1.1 硬件設計

1.1.1 模塊構成

如圖1所示，SNSPD系統結構較復雜，可分為電子學模塊、真空模塊、系統核心器件和制冷模塊四大子系統[12-13]。其工作流程可簡易描述為：首先開啟真空模塊，抽真空，然后監測系統壓強到指定閾值開啟制冷模塊，通過實時監測溫度保證系統正常降溫10 h左右后系統溫度達到液氦溫區，此時電子學模塊讀出單光子進入探測器轉換的電信號經放大器輸出的計數，從而實現對單光子的精準探測。

一鍵自動化控制基于WinForm平臺C#語言開發實現的內置邏輯模塊[14]，能夠基于讀取的數據和設置系統參數閾值完成用戶設置升降溫請求，自動運行以簡化操作。

1.1.2 系統連接

整套系統包括強電區和弱電區兩大模塊，分別解決整套系統的供電需求和信息交互需求。

如圖2所示，強電區包括交流電源經不間斷電源(Uninterruptible Power System，UPS)儲電分別給上位機、串口服務器、智能電源分配單元(Power Data Unit,PDU)、溫度計等核心硬件供電，同時PDU作為一個電源分配單元，擁有8個電源輸出端口，分別給電磁閥、壓縮機、真空泵等下行設備供電，保證整個系統在正常工作下的供電需求。弱電區包括上位機通過基于TCP/IP協議網口端和RS-232協議串口端完成與下行設備的信息和命令交互。

遵照SNSPD數字化監控平臺連接框圖，完成核心硬件選型與搭建，即完成系統硬件中樞的信息交互與供電控制功能。實物圖如圖3所示。

圖1 SNSPD系統組成圖

圖2 SNSPD數字化監控平臺連接框圖

圖3 SNSPD數字化監控平臺搭建實物圖

1.2 軟件設計

如圖4所示，SNSPD數字化監控平臺由信息采集模塊、按鍵控制模塊和圖形設備接口繪制(Graphics Device Interface+，GDI+)動圖模式構成。按鍵控制模塊包括科研人員在手動操作模式下，操作指定設備使其對應不同模式運作。信息采集模塊包括軟件程序對下行設備溫度、真空度等數值及設備運行狀態實時數據采集并呈現在系統總界面中。GDI+動圖模式實現對整套系統的運作流程關系及工作狀態以簡易化圖形界面呈現在總界面中，便于科研人員對整套系統的整體監控。

圖4 SNSPD數字化監控平臺界面構成

其中GDI+系統運行動圖采用C++繪制，包括設備框圖和設備信息欄，如圖5所示。繪制設備布局及設備間布線以簡易地概述SNSPD系統整體連接狀況。設備框圖淺色表示設備處于關閉狀態，深顏色則表示處于開啟狀態。設備信息欄首行在設備關閉狀態顯示設備名稱，設備開啟后動態顯示相關數據。次行顯示設備運行狀態。末行顯示突發狀況下對應故障設備信息，并提示對相應設備采取的相關應急措施。

圖5 GDI+繪制系統圖

2 SNSPD監控平臺自動控制設計

本套系統采用的是基于.NET平臺的WinForm窗體開發技術，創建用戶友好型的超導納米線單光子探測系統數字化監控平臺[15-16]。通過C#網絡編程實現對整套探測系統溫度自動控制及安全保護的核心技術。

2.1 降溫控制及安全保護

自動降溫控制是基于系統的降溫邏輯，下面將以降溫過程的部分邏輯框圖為例說明其運行過程，圖6為其工作邏輯框圖。

由于圖示邏輯中存在重疊部分，較為復雜，為簡化分析其核心邏輯，細致分為兩分支。

分支一：系統溫度低于2.3 K則窗體顯示“降溫成功！”，后續關閉電磁閥，使系統處于密閉狀態。為了保證密閉系統持續處于2.3 K最低溫度狀態，每間隔20 min監測系統溫度是否低于2.3 K，如果是，則窗體顯示“系統運行正常！”，否則，在系統處于降溫狀況下，每間隔5 min監測系統真空度，如果真空度低于10-3mbar，則總界面窗體顯示“溫度異常，真空度正常！”，否則蜂鳴報警，判斷真空泵的運行狀態，如果真空泵正常開啟，排除真空泵故障導致，界面提示“手動檢查其他原因”，否則故障報警同時測量真空泵轉速，獲取判定具體故障并關閉真空泵。在系統處于非降溫狀況下，進入分支二。

圖6 自動降溫邏輯圖

分支二：蜂鳴報警，提醒科研人員系統出現故障。為了排除故障原因，在監測系統真空度低于10-3mbar情況下，若壓縮機處于開啟狀態，則手動檢查。否則，信息欄故障報警同時關閉壓縮機。在監測系統真空度超過10-3mbar情況下，如果真空泵處于開啟狀態，則判斷系統漏氣故障，否則信息欄故障報警真空泵故障同時關閉真空泵。

降溫過程中控制真空泵開啟并且真空度達到10-3mbar以下，開始開啟制冷機，由于制冷機降溫時間比較長，降至2.3 K大約需要10 h左右。首先使制冷機工作5 h同時間隔5 min讀取溫度進行比較，判斷系統是否處于降溫狀態，如果不處于降溫狀態，則進入分支二。如果處于降溫狀態，則6 h內間隔20 min繼續監測系統溫度，若系統溫度達到2.3 K，則進入分支一，否則進入分支二。

2.2 回溫控制及安全保護

自動回溫控制實現是基于系統的回溫邏輯，系統溫度至室溫后科研人員一般會對系統進行待機或拆裝系統以更換系統核心器件兩種操作。如圖7所示，快速模式下關閉壓縮機后，關閉電磁閥與真空泵，而正常模式下除壓縮機外其他設備均關閉，使系統處于密閉狀態以提升系統回溫速度。由于系統回溫至室溫時間比較長，大約需要10 h左右。首先讓系統回溫4 h后間隔5 min讀取溫度，監控系統溫度是否接近室溫，接近室溫后則分別按待機模式和拆裝模式工作。

待機模式為關閉電磁閥系統溫度接近室溫后，保持當前狀態以待機靜置，同時系統窗體顯示信息“待機模式，系統回溫成功！”。

拆裝模式為打開電磁閥關閉真空泵，由于降溫過程中系統內壓強很低，因此系統需要恢復氣壓20 min后間隔10 min監測系統真空度，若恢復至大氣壓強且系統溫度接近室溫，則窗體顯示信息“回溫成功，系統可拆卸！”。

3 實驗驗證

3.1 SNSPD數字化監控平臺運行界面

本套數字化監控平臺的自動控溫功能旨在實現無人化操作以完成系統從液氦溫區到室溫(4～300 K)升降溫過程并在達到指標后繼續對探測系統進行深度監測。基于控溫邏輯設計，完成相關軟件開發工作后對系統進行降溫，系統整個降溫過程順利，總界面實時刷新設備數據同時監控系統安全。

圖7 自動回溫邏輯圖

3.2 安全保護

本套系統數字化監控平臺的故障報警功能是為了避免在突發狀況下給科研設備帶來損傷，因此在完成相關邏輯的程序設計后，進行多次驗證性實驗。此類驗證實驗中，一旦發生意外狀況，結果均會在系統總界面圖中以頁面窗體呈現并伴隨蜂鳴報警，將開展的部分驗證實驗以表格形式呈現，如表1所示。

表1 故障報警試驗

3.3 自動控溫

SNSPD數字化監控平臺采集數據實時呈現在界面的同時將采集時刻對應的系統溫度值保存于后臺日志，其中每間隔10 s采集溫度數值，采集精度為0.001 K，便于科研人員查詢任意時刻對應的系統溫度。為了直觀呈現整套系統從室溫到液氦溫區的降溫過程中的溫度變化，基于后臺的溫度數據，作出低溫區段溫度曲線圖及整個過程溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 自動降溫低溫區段(6 K以下)細節曲線圖,插圖為整個降溫過程中系統溫度隨時間變化結果

結合后臺數據與圖8曲線，超導納米線單光子探測系統數字化監控平臺11.2 h自動實現室溫(309.281 K)～低溫區段(6.000 K)的穩定降溫過程，4 h內實現6 K到液氦溫區(2.281 K)的降溫過程，因降溫過程存在溫度波動，故整個降溫過程圖較低溫區段細節放大圖更平滑。后臺緩存溫度數據顯示精度0.001 K，數據讀取周期為1 s，較文獻[10]中的系統，該數字化監控平臺溫度數值顯示精度提升10倍，溫度數據刷新速度提高6倍。高速精準的控溫數字化監控平臺保證后期系統探測效率測量工作高效精準化地進行。

4 結論

綜上所述，本文研制開發的超導納米線單光子探測系統數字化監控平臺能精準顯示下行設備參數，溫度數據顯示精確度達0.001 K，真空度數值顯示精度為10-7mbar量級，并且經過多次實驗，系統自動控制或者對意外狀況的安全保護措施成功率達到百分之百。通過與其他機構對比表明，研究的超導納米線單光子探測系統數字化監控平臺功能新穎齊全，伴隨量子通信的高速發展，SNSPD探測系統的高精準無人化值守數字化監控平臺有望解決量子通信網絡鋪設中更多需求，推動相關的基礎研究和實際應用。