Superconducting nanowire single-photon detectors have emerged as a promising technology for quantum metrology from the mid-infrared to ultraviolet frequencies. Despite recent experimental successes, a predictive model to describe the detection event in these detectors is needed to optimize the detection metrics. Here, we propose a probabilistic criterion for single-photon detection based on single-vortex (flux quanta) crossing the width of the nanowire. Our model makes a connection between the dark counts and photon counts near the detection threshold. The finite-difference calculations demonstrate that a change in the bias current distribution as a result of the photon absorption significantly increases the probability of single-vortex crossing even if the vortex potential barrier has not vanished completely. We estimate the instrument response function and show that the timing uncertainty of this vortex tunneling process corresponds to a fundamental limit in timing jitter of the click event. We demonstrate a trade-space between this intrinsic (quantum) timing jitter, quantum efficiency, and dark count rate in TaN, WSi, and NbN superconducting nanowires at different experimental conditions. Our detection model can also explain the experimental observation of exponential decrease in the quantum efficiency of SNSPDs at lower energies. This leads to a pulse-width dependency in the quantum efficiency, and it can be further used as an experimental test to compare across different detection models.

1.
R. H.
Hadfield
,
Nat. Photonics
3
,
696
(
2009
).
2.
G. N.
Gol’tsman
,
O.
Okunev
,
G.
Chulkova
,
A.
Lipatov
,
A.
Semenov
,
K.
Smirnov
,
B.
Voronov
,
A.
Dzardanov
,
C.
Williams
, and
R.
Sobolewski
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
705
(
2001
).
3.
C. M.
Natarajan
,
M. G.
Tanner
, and
R. H.
Hadfield
,
Supercond. Sci. Technol.
25
,
063001
(
2012
).
4.
H.
Takesue
,
S. W.
Nam
,
Q.
Zhang
,
R. H.
Hadfield
,
T.
Honjo
,
K.
Tamaki
, and
Y.
Yamamoto
,
Nat. Photonics
1
,
343
(
2007
).
5.
M. D.
Eisaman
,
J.
Fan
,
A.
Migdall
, and
S. V.
Polyakov
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
071101
(
2011
).
6.
Q.-Y.
Zhao
,
D.
Zhu
,
N.
Calandri
,
A. E.
Dane
,
A. N.
McCaughan
,
F.
Bellei
,
H.-Z.
Wang
,
D. F.
Santavicca
, and
K. K.
Berggren
,
Nat. Photonics
11
,
247
(
2017
).
7.
I.
Holzman
and
Y.
Ivry
,
Adv. Quantum Technol.
2
,
1800058
(
2019
).
8.
F.
Marsili
,
V. B.
Verma
,
J. A.
Stern
,
S.
Harrington
,
A. E.
Lita
,
T.
Gerrits
,
I.
Vayshenker
,
B.
Baek
,
M. D.
Shaw
,
R. P.
Mirin
, and
S. W.
Nam
,
Nat. Photonics
7
,
210
(
2013
).
9.
B.
Korzh
,
Q.
Zhao
,
J. P.
Allmaras
et al.,
Nat. Photonics
14
,
250
255
(
2020
).
10.
B.
Korzh
,
Q.-Y.
Zhao
,
S.
Frasca
,
D.
Zhu
,
E.
Ramirez
,
E.
Bersin
,
M.
Colangelo
,
A.
Dane
,
A.
Beyer
,
J.
Allmaras
et al., in CLEO: QELS_Fundamental Science (Optical Society of America, 2018), pp. FW3F.3.
11.
M.
Sidorova
,
A.
Semenov
,
A.
Kuzmin
,
I.
Charaev
,
S.
Doerner
, and
M.
Siegel
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
28
,
2836989
(
2018
).
12.
W. H. P.
Pernice
,
C.
Schuck
,
O.
Minaeva
,
M.
Li
,
G. N.
Goltsman
,
A. V.
Sergienko
, and
H. X.
Tang
,
Nat. Commun.
3
,
1325
(
2012
).
13.
M.
Tarkhov
,
J.
Claudon
,
J. P.
Poizat
,
A.
Korneev
,
A.
Divochiy
,
O.
Minaeva
,
V.
Seleznev
,
N.
Kaurova
,
B.
Voronov
,
A. V.
Semenov
, and
G.
Gol’tsman
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
241112
(
2008
).
14.
C.
Schuck
,
W. H. P.
Pernice
, and
H. X.
Tang
,
Sci. Rep.
3
,
1893
(
2013
).
15.
I.
Charaev
,
A.
Semenov
,
S.
Doerner
,
G.
Gomard
,
K.
Ilin
, and
M.
Siegel
,
Supercond. Sci. Technol.
30
,
025016
(
2016
).
16.
D.
Zhu
,
M.
Colangelo
,
B. A.
Korzh
,
Q.-Y.
Zhao
,
S.
Frasca
,
A. E.
Dane
,
A. E.
Velasco
,
A. D.
Beyer
,
J. P.
Allmaras
,
E.
Ramirez
et al.,
Appl. Phys. Lett.
114
,
042601
(
2019
).
17.
M.
Sidorova
,
A.
Semenov
,
H.-W.
Hübers
,
A.
Kuzmin
,
S.
Doerner
,
K.
Ilin
,
M.
Siegel
,
I.
Charaev
, and
D.
Vodolazov
,
Phys. Rev. B
98
,
134504
(
2018
).
18.
K.
Epstein
,
A. M.
Goldman
, and
A. M.
Kadin
,
Phys. Rev. Lett.
47
,
534
(
1981
).
19.
J.
Renema
,
R.
Gaudio
,
Q.
Wang
,
Z.
Zhou
,
A.
Gaggero
,
F.
Mattioli
,
R.
Leoni
,
D.
Sahin
,
M.
de Dood
,
A.
Fiore
, and
M.
van Exter
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
117604
(
2014
).
20.
L. N.
Bulaevskii
,
M. J.
Graf
, and
V. G.
Kogan
,
Phys. Rev. B
85
,
014505
(
2012
).
21.
A.
Engel
and
A.
Schilling
,
J. Appl. Phys.
114
,
214501
(
2013
).
22.
A.
Engel
,
J.
Renema
,
K.
Il’in
, and
A.
Semenov
,
Supercond. Sci. Technol.
28
,
114003
(
2015
).
23.
D. Y.
Vodolazov
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
034014
(
2017
).
24.
F.
Marsili
,
M. J.
Stevens
,
A.
Kozorezov
,
V. B.
Verma
,
C.
Lambert
,
J. A.
Stern
,
R. D.
Horansky
,
S.
Dyer
,
S.
Duff
,
D. P.
Pappas
,
A. E.
Lita
,
M. D.
Shaw
,
R. P.
Mirin
, and
S. W.
Nam
,
Phys. Rev. B
93
,
094518
(
2016
).
25.
Y.
Korneeva
,
I.
Florya
,
S.
Vdovichev
,
M.
Moshkova
,
N.
Simonov
,
N.
Kaurova
,
A.
Korneev
, and
G.
Goltsman
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
27
,
2201504
(
2017
).
26.
A.
Semenov
,
A.
Engel
,
H.-W.
Hübers
,
K.
Il’in
, and
M.
Siegel
,
Eur. Phys. J. B
47
,
495
(
2005
).
27.
A. N.
Zotova
and
D. Y.
Vodolazov
,
Phys. Rev. B
85
,
024509
(
2012
).
28.
L. N.
Bulaevskii
,
M. J.
Graf
,
C. D.
Batista
, and
V. G.
Kogan
,
Phys. Rev. B
83
,
144526
(
2011
).
29.
D. Y.
Vodolazov
,
Y. P.
Korneeva
,
A.
Semenov
,
A.
Korneev
, and
G.
Goltsman
,
Phys. Rev. B
92
,
104503
(
2015
).
30.
Y. P.
Korneeva
,
D. Y.
Vodolazov
,
A.
Semenov
,
I.
Florya
,
N.
Simonov
,
E.
Baeva
,
A.
Korneev
,
G.
Goltsman
, and
T.
Klapwijk
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
064037
(
2018
).
31.
E.
Knehr
,
A.
Kuzmin
,
M.
Ziegler
,
S.
Doerner
,
K.
Ilin
,
M.
Siegel
,
R.
Stolz
, and
H.
Schmidt
, arXiv:1906.05214 (2019).
32.
J.
Allmaras
,
A.
Kozorezov
,
B.
Korzh
,
K.
Berggren
, and
M.
Shaw
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
034062
(
2019
).
33.
A.
Engel
,
J.
Lonsky
,
X.
Zhang
, and
A.
Schilling
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
25
,
1
(
2015
).
34.
M. K.
Akhlaghi
and
A. H.
Majedi
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
19
,
361
(
2009
).
35.
M. K.
Akhlaghi
,
A. H.
Majedi
, and
J. S.
Lundeen
,
Opt. Express
19
,
21305
(
2011
).
36.
S.
van Enk
,
J. Phys. Commun.
1
,
045001
(
2017
).
37.
S. J.
van Enk
,
Phys. Rev. A
96
,
033834
(
2017
).
38.
H.
Bartolf
,
A.
Engel
,
A.
Schilling
,
K.
Il’in
,
M.
Siegel
,
H.-W.
Hübers
, and
A.
Semenov
,
Phys. Rev. B
81
,
024502
(
2010
).
39.
A.
Eftekharian
,
H.
Atikian
,
M. K.
Akhlaghi
,
A.
Jafari Salim
, and
A.
Hamed Majedi
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
242601
(
2013
).
40.
T.
Yamashita
,
S.
Miki
,
K.
Makise
,
W.
Qiu
,
H.
Terai
,
M.
Fujiwara
,
M.
Sasaki
, and
Z.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
161105
(
2011
).
41.
J. R.
Clem
and
K. K.
Berggren
,
Phys. Rev. B
84
,
174510
(
2011
).
42.
A.
Murphy
,
A.
Semenov
,
A.
Korneev
,
Y.
Korneeva
,
G.
Gol’tsman
, and
A.
Bezryadin
,
Sci. Rep.
5
,
10174
(
2015
).
43.
J.
Zhang
,
W.
Słysz
,
A.
Pearlman
,
A.
Verevkin
,
R.
Sobolewski
,
O.
Okunev
,
G.
Chulkova
, and
G.
Gol’tsman
,
Phys. Rev. B
67
,
132508
(
2003
).
44.
L. P.
Yang
,
H. X.
Tang
, and
Z.
Jacob
,
Phys. Rev. A
97
,
013833
(
2018
).
45.
L. P.
Yang
and
Z.
Jacob
,
Opt. Express
27
,
10482
(
2019
).
46.
H.
Wu
,
C.
Gu
,
Y.
Cheng
, and
X.
Hu
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
062603
(
2017
).
47.
N.
Calandri
,
Q.-Y.
Zhao
,
D.
Zhu
,
A.
Dane
, and
K. K.
Berggren
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
152601
(
2016
).
48.
J. A.
O’Connor
,
M. G.
Tanner
,
C. M.
Natarajan
,
G. S.
Buller
,
R. J.
Warburton
,
S.
Miki
,
Z.
Wang
,
S. W.
Nam
, and
R. H.
Hadfield
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
201116
(
2011
).
49.
Y.
Cheng
,
C.
Gu
, and
X.
Hu
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
062604
(
2017
).
50.
D. Y.
Vodolazov
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014016
(
2019
).
51.
A.
Kuzmin
,
S.
Doerner
,
S.
Wuensch
,
K.
Ilin
,
M.
Siegel
,
M.
Sidorova
, and
A.
Semenov
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
29
,
2201105
(
2019
).
52.
R.
Cheng
,
C.-L.
Zou
,
X.
Guo
, et al.,
Nat. Commun.
10
,
4104
(
2019
).
53.
J. J.
Renema
,
Q.
Wang
,
R.
Gaudio
,
I.
Komen
,
K.
Op’t Hoog
,
D.
Sahin
,
A.
Schilling
,
M.
van Exter
,
A.
Fiore
,
A.
Engel
et al.,
Nano Lett.
15
,
4541
(
2015
).
54.
D. F.
Santavicca
,
B.
Noble
,
C.
Kilgore
,
G. A.
Wurtz
,
M.
Colangelo
,
D.
Zhu
, and
K.
Berggren
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
29
,
2200504
(
2019
).
55.
J.
Renema
,
G.
Frucci
,
Z.
Zhou
,
F.
Mattioli
,
A.
Gaggero
,
R.
Leoni
,
M. J.
de Dood
,
A.
Fiore
, and
M. P.
van Exter
,
Phys. Rev. B
87
,
174526
(
2013
).
56.
M.
Caloz
,
B.
Korzh
,
N.
Timoney
,
M.
Weiss
,
S.
Gariglio
,
R. J.
Warburton
,
C.
Schönenberger
,
J.
Renema
,
H.
Zbinden
, and
F.
Bussières
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
083106
(
2017
).
57.
M.
Sidorova
,
A.
Semenov
,
H.-W.
Hübers
,
I.
Charaev
,
A.
Kuzmin
,
S.
Doerner
, and
M.
Siegel
,
Phys. Rev. B
96
,
184504
(
2017
).
58.
M.
Caloz
,
M.
Perrenoud
,
C.
Autebert
,
B.
Korzh
,
M.
Weiss
,
C.
Schönenberger
,
R. J.
Warburton
,
H.
Zbinden
, and
F.
Bussières
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
061103
(
2018
).
59.
A. D.
Semenov
,
P.
Haas
,
H.-W.
Hübers
,
K.
Ilin
,
M.
Siegel
,
A.
Kirste
,
T.
Schurig
, and
A.
Engel
,
Physica C
468
,
627
(
2008
).
60.
M.
Hofherr
,
D.
Rall
,
K.
Ilin
,
M.
Siegel
,
A.
Semenov
,
H.-W.
Hübers
, and
N.
Gippius
,
J. Appl. Phys.
108
,
014507
(
2010
).
61.
K. M.
Rosfjord
,
J. K. W.
Yang
,
E. A.
Dauler
,
A. J.
Kerman
,
V.
Anant
,
B. M.
Voronov
,
G. N.
Gol’tsman
, and
K. K.
Berggren
,
Opt. Express
14
,
527
(
2006
).
62.
A.
Vetter
,
S.
Ferrari
,
P.
Rath
,
R.
Alaee
,
O.
Kahl
,
V.
Kovalyuk
,
S.
Diewald
,
G. N.
Goltsman
,
A.
Korneev
,
C.
Rockstuhl
, and
W. H. P.
Pernice
,
Nano Lett.
16
,
7085
(
2016
).
63.
J.
Münzberg
,
A.
Vetter
,
F.
Beutel
,
W.
Hartmann
,
S.
Ferrari
,
W. H.
Pernice
, and
C.
Rockstuhl
,
Optica
5
,
658
(
2018
).
64.
K.
Erotokritou
,
R.
Heath
,
G.
Taylor
,
C.
Tian
,
A.
Banerjee
,
A.
Casaburi
,
C.
Natarajan
,
S.
Miki
,
H.
Terai
, and
R. H.
Hadfield
,
Supercond. Sci. Technol.
31
,
125012
(
2018
).
65.
Y.
Yun
,
A.
Vetter
,
R.
Stegmueller
,
S.
Ferrari
,
W. H.
Pernice
,
C.
Rockstuhl
, and
C.
Lee
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
014061
(
2020
).
66.
S.
Ferrari
,
C.
Schuck
, and
W.
Pernice
,
Nanophotonics
7
,
1725
(
2018
).
67.
F.
Najafi
,
J.
Mower
,
N. C.
Harris
,
F.
Bellei
,
A.
Dane
,
C.
Lee
,
X.
Hu
,
P.
Kharel
,
F.
Marsili
,
S.
Assefa
,
K. K.
Berggren
, and
D.
Englund
,
Nat. Commun.
6
,
5873
(
2015
).
68.
S.
Jahani
and
Z.
Jacob
,
Optica
1
,
96
(
2014
).
69.
S.
Jahani
,
S.
Kim
,
J.
Atkinson
,
J. C.
Wirth
,
F.
Kalhor
,
A.
Al Noman
,
W. D.
Newman
,
P.
Shekhar
,
K.
Han
,
V.
Van
,
R. G.
DeCorby
,
L.
Chrostowski
,
M.
Qi
, and
Z.
Jacob
,
Nat. Commun.
9
,
1893
(
2018
).
70.
M. K.
Akhlaghi
,
E.
Schelew
, and
J. F.
Young
,
Nat. Commun.
6
,
8233
(
2015
).
71.
A. D.
Semenov
,
G. N.
Gol’tsman
, and
A. A.
Korneev
,
Physica C
351
,
349
(
2001
).
72.
Y. P.
Gousev
,
G.
Gol’Tsman
,
A.
Semenov
,
E.
Gershenzon
,
R.
Nebosis
,
M.
Heusinger
, and
K.
Renk
,
J. Appl. Phys.
75
,
3695
(
1994
).
73.
M.
Tinkham
,
Introduction to Superconductivity
(
Courier Corporation
,
1996
).
74.
V. G.
Kogan
,
Phys. Rev. B
75
,
064514
(
2007
).
75.
J.
Pearl
,
Appl. Phys. Lett.
5
,
65
(
1964
).
76.
A. M.
Kadin
,
M.
Leung
, and
A. D.
Smith
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
3193
(
1990
).
77.
J. R.
Clem
,
J. Low Temp. Phys.
42
,
363
(
1981
).
78.
D. F.
Santavicca
,
J. K.
Adams
,
L. E.
Grant
,
A. N.
McCaughan
, and
K. K.
Berggren
,
J. Appl. Phys.
119
,
234302
(
2016
).
You do not currently have access to this content.