汪 旭,尤立星,,3，成 明，蔣燕陽，王永良

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(dǎo)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(shù)[1]，具有高探測效率、低暗計數(shù)、低時間抖動等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于量子通信、激光雷達、激光成像等領(lǐng)域[2-6]。伴隨量子通信的快速發(fā)展，作為量子通信系統(tǒng)重要的核心模塊之一[7]，SNSPD系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(yè)化開發(fā)工作，但缺少一套相對成熟的SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺。

2016年蘭州理工大學(xué)針對SNSPD探測自動化實現(xiàn)了系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)讀取和手動按鍵啟停設(shè)備控制[8]。

本文所述平臺基于對SNSPD系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測進行整套系統(tǒng)自動升降溫控制和系統(tǒng)安保設(shè)計。通過搭建系統(tǒng)集成硬件平臺與基于傳輸協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)網(wǎng)絡(luò)議協(xié)[9-10]、RS-232串口協(xié)議的通信軟件，實現(xiàn)一鍵控制系統(tǒng)從液氦溫區(qū)到室溫(4～300 K)的升降溫過程。同時基于監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)、系統(tǒng)溫度及壓強等參數(shù)進行邏輯分析以引入故障應(yīng)急措施，保護科研設(shè)備。SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺能降低操作人員的專業(yè)素質(zhì)要求，避免了人工監(jiān)督和四大子系統(tǒng)之間的復(fù)雜邏輯關(guān)系，利于SNSPD推廣和用戶體驗友好，大幅提升探測系統(tǒng)可操作性[11]和安全性，推動SNSPD在量子信息相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化進程。

1 SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺構(gòu)成

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 模塊構(gòu)成

如圖1所示，SNSPD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可分為電子學(xué)模塊、真空模塊、系統(tǒng)核心器件和制冷模塊四大子系統(tǒng)[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(jiān)測系統(tǒng)壓強到指定閾值開啟制冷模塊，通過實時監(jiān)測溫度保證系統(tǒng)正常降溫10 h左右后系統(tǒng)溫度達到液氦溫區(qū)，此時電子學(xué)模塊讀出單光子進入探測器轉(zhuǎn)換的電信號經(jīng)放大器輸出的計數(shù)，從而實現(xiàn)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(fā)實現(xiàn)的內(nèi)置邏輯模塊[14]，能夠基于讀取的數(shù)據(jù)和設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)閾值完成用戶設(shè)置升降溫請求，自動運行以簡化操作。

1.1.2 系統(tǒng)連接

整套系統(tǒng)包括強電區(qū)和弱電區(qū)兩大模塊，分別解決整套系統(tǒng)的供電需求和信息交互需求。

如圖2所示，強電區(qū)包括交流電源經(jīng)不間斷電源(Uninterruptible Power System，UPS)儲電分別給上位機、串口服務(wù)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(shè)備供電，保證整個系統(tǒng)在正常工作下的供電需求。弱電區(qū)包括上位機通過基于TCP/IP協(xié)議網(wǎng)口端和RS-232協(xié)議串口端完成與下行設(shè)備的信息和命令交互。

遵照SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺連接框圖，完成核心硬件選型與搭建，即完成系統(tǒng)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(tǒng)組成圖

圖2 SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺連接框圖

圖3 SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺搭建實物圖

1.2 軟件設(shè)計

如圖4所示，SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺由信息采集模塊、按鍵控制模塊和圖形設(shè)備接口繪制(Graphics Device Interface+，GDI+)動圖模式構(gòu)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(shè)備使其對應(yīng)不同模式運作。信息采集模塊包括軟件程序?qū)ο滦性O(shè)備溫度、真空度等數(shù)值及設(shè)備運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)采集并呈現(xiàn)在系統(tǒng)總界面中。GDI+動圖模式實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的運作流程關(guān)系及工作狀態(tài)以簡易化圖形界面呈現(xiàn)在總界面中，便于科研人員對整套系統(tǒng)的整體監(jiān)控。

圖4 SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺界面構(gòu)成

其中GDI+系統(tǒng)運行動圖采用C++繪制，包括設(shè)備框圖和設(shè)備信息欄，如圖5所示。繪制設(shè)備布局及設(shè)備間布線以簡易地概述SNSPD系統(tǒng)整體連接狀況。設(shè)備框圖淺色表示設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，深顏色則表示處于開啟狀態(tài)。設(shè)備信息欄首行在設(shè)備關(guān)閉狀態(tài)顯示設(shè)備名稱，設(shè)備開啟后動態(tài)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。次行顯示設(shè)備運行狀態(tài)。末行顯示突發(fā)狀況下對應(yīng)故障設(shè)備信息，并提示對相應(yīng)設(shè)備采取的相關(guān)應(yīng)急措施。

圖5 GDI+繪制系統(tǒng)圖

2 SNSPD監(jiān)控平臺自動控制設(shè)計

本套系統(tǒng)采用的是基于.NET平臺的WinForm窗體開發(fā)技術(shù)，創(chuàng)建用戶友好型的超導(dǎo)納米線單光子探測系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控平臺[15-16]。通過C#網(wǎng)絡(luò)編程實現(xiàn)對整套探測系統(tǒng)溫度自動控制及安全保護的核心技術(shù)。

2.1 降溫控制及安全保護

自動降溫控制是基于系統(tǒng)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(fù)雜，為簡化分析其核心邏輯，細致分為兩分支。

分支一：系統(tǒng)溫度低于2.3 K則窗體顯示“降溫成功！”，后續(xù)關(guān)閉電磁閥，使系統(tǒng)處于密閉狀態(tài)。為了保證密閉系統(tǒng)持續(xù)處于2.3 K最低溫度狀態(tài)，每間隔20 min監(jiān)測系統(tǒng)溫度是否低于2.3 K，如果是，則窗體顯示“系統(tǒng)運行正常！”，否則，在系統(tǒng)處于降溫狀況下，每間隔5 min監(jiān)測系統(tǒng)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(tài)，如果真空泵正常開啟，排除真空泵故障導(dǎo)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(zhuǎn)速，獲取判定具體故障并關(guān)閉真空泵。在系統(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)故障。為了排除故障原因，在監(jiān)測系統(tǒng)真空度低于10-3mbar情況下，若壓縮機處于開啟狀態(tài)，則手動檢查。否則，信息欄故障報警同時關(guān)閉壓縮機。在監(jiān)測系統(tǒng)真空度超過10-3mbar情況下，如果真空泵處于開啟狀態(tài)，則判斷系統(tǒng)漏氣故障，否則信息欄故障報警真空泵故障同時關(guān)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(tǒng)是否處于降溫狀態(tài)，如果不處于降溫狀態(tài)，則進入分支二。如果處于降溫狀態(tài)，則6 h內(nèi)間隔20 min繼續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)溫度，若系統(tǒng)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(xiàn)是基于系統(tǒng)的回溫邏輯，系統(tǒng)溫度至室溫后科研人員一般會對系統(tǒng)進行待機或拆裝系統(tǒng)以更換系統(tǒng)核心器件兩種操作。如圖7所示，快速模式下關(guān)閉壓縮機后，關(guān)閉電磁閥與真空泵，而正常模式下除壓縮機外其他設(shè)備均關(guān)閉，使系統(tǒng)處于密閉狀態(tài)以提升系統(tǒng)回溫速度。由于系統(tǒng)回溫至室溫時間比較長，大約需要10 h左右。首先讓系統(tǒng)回溫4 h后間隔5 min讀取溫度，監(jiān)控系統(tǒng)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(guān)閉電磁閥系統(tǒng)溫度接近室溫后，保持當前狀態(tài)以待機靜置，同時系統(tǒng)窗體顯示信息“待機模式，系統(tǒng)回溫成功！”。

拆裝模式為打開電磁閥關(guān)閉真空泵，由于降溫過程中系統(tǒng)內(nèi)壓強很低，因此系統(tǒng)需要恢復(fù)氣壓20 min后間隔10 min監(jiān)測系統(tǒng)真空度，若恢復(fù)至大氣壓強且系統(tǒng)溫度接近室溫，則窗體顯示信息“回溫成功，系統(tǒng)可拆卸！”。

3 實驗驗證

3.1 SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺運行界面

本套數(shù)字化監(jiān)控平臺的自動控溫功能旨在實現(xiàn)無人化操作以完成系統(tǒng)從液氦溫區(qū)到室溫(4～300 K)升降溫過程并在達到指標后繼續(xù)對探測系統(tǒng)進行深度監(jiān)測?；诳販剡壿嬙O(shè)計，完成相關(guān)軟件開發(fā)工作后對系統(tǒng)進行降溫，系統(tǒng)整個降溫過程順利，總界面實時刷新設(shè)備數(shù)據(jù)同時監(jiān)控系統(tǒng)安全。

圖7 自動回溫邏輯圖

3.2 安全保護

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

表1 故障報警試驗

3.3 自動控溫

SNSPD數(shù)字化監(jiān)控平臺采集數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)在界面的同時將采集時刻對應(yīng)的系統(tǒng)溫度值保存于后臺日志，其中每間隔10 s采集溫度數(shù)值，采集精度為0.001 K，便于科研人員查詢?nèi)我鈺r刻對應(yīng)的系統(tǒng)溫度。為了直觀呈現(xiàn)整套系統(tǒng)從室溫到液氦溫區(qū)的降溫過程中的溫度變化，基于后臺的溫度數(shù)據(jù)，作出低溫區(qū)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(qū)段(6 K以下)細節(jié)曲線圖,插圖為整個降溫過程中系統(tǒng)溫度隨時間變化結(jié)果

結(jié)合后臺數(shù)據(jù)與圖8曲線，超導(dǎo)納米線單光子探測系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控平臺11.2 h自動實現(xiàn)室溫(309.281 K)～低溫區(qū)段(6.000 K)的穩(wěn)定降溫過程，4 h內(nèi)實現(xiàn)6 K到液氦溫區(qū)(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(qū)段細節(jié)放大圖更平滑。后臺緩存溫度數(shù)據(jù)顯示精度0.001 K，數(shù)據(jù)讀取周期為1 s，較文獻[10]中的系統(tǒng)，該數(shù)字化監(jiān)控平臺溫度數(shù)值顯示精度提升10倍，溫度數(shù)據(jù)刷新速度提高6倍。高速精準的控溫數(shù)字化監(jiān)控平臺保證后期系統(tǒng)探測效率測量工作高效精準化地進行。

4 結(jié)論

綜上所述，本文研制開發(fā)的超導(dǎo)納米線單光子探測系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控平臺能精準顯示下行設(shè)備參數(shù)，溫度數(shù)據(jù)顯示精確度達0.001 K，真空度數(shù)值顯示精度為10-7mbar量級，并且經(jīng)過多次實驗，系統(tǒng)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(gòu)對比表明，研究的超導(dǎo)納米線單光子探測系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控平臺功能新穎齊全，伴隨量子通信的高速發(fā)展，SNSPD探測系統(tǒng)的高精準無人化值守數(shù)字化監(jiān)控平臺有望解決量子通信網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)中更多需求，推動相關(guān)的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用。