量子信息技术1课件

1、量子信息技术1课件量子信息技术1课件光的量子性表现在：1、光的发射服从量子规律；2、光的传输和模式变换服从量子规律；3、光与物质的相互作用服从量子规律。第二章 光的量子性光的量子性表现在：第二章 光的量子性人体的辐射曲线白炽灯的辐射曲线可见光2-1 光发射的量子性人体的辐射曲线白炽灯的辐射曲线可见光2-1 光发射的量子性维恩(Wien)定律热力学定律给出 实验数据维恩(Wien)定律热力学定律给出 实验数据瑞利（Rayleigh)金斯（Jeans）定律电磁学理论给出实验数据瑞利（Rayleigh)金斯（Jeans）定律电磁学理论给普郎克(Planck)定律H普郎克常数假设：能量以分立值辐射普郎

2、克(Planck)定律H普郎克常数假设：2-2光传输过程的量子性？ 控制和利用光子传输过程的量子性携带信息-量子信息技术！2-2光传输过程的量子性？ 控制和利用光子传输过程2-3光与物质相互作用的量子性1、赫兹（Hertz)：紫外线导致带电球放电现象2、哈瓦克（Hallwack)： （1）带负电的球才有这种现象； （2）不带电的球，紫外照射可带正电。-光电效应！2-3光与物质相互作用的量子性1、赫兹（Hertz)：紫外3、艾斯特（Elster)和盖泰尔(Geital)：（1）电效应跟材料有关，正电性越强的金属，产生光电效应的波长越长；（2）碱金属用可见光就能产生光电效应。由此证明：光电效应是由

3、光与物质相互作用的结果！3、艾斯特（Elster)和盖泰尔(Geital)：4、伦纳德 (P. Lenard) ：（1）光电效应释放出来的是带负电的质点；（2）荷质比测量证明，这些质点是电子。 -光电子PLenard, Ann. Physik, 8, 149(1902)4、伦纳德 (P. Lenard) ：PLenard, A5、爱因斯坦（1906年）： 总结所有光电效应实验所给的主要成果！ 给出光电效应公式 提出光子的概念！5、爱因斯坦（1906年）：6、密立根（Millikan)： 定量地证实爱因斯坦公式的正确性R. A. Millikan, Phys. Rev, 7, 355(1916)

4、6、密立根（Millikan)：R. A. Millikan光电效应发现以前：光电探测方法光电效应使得微光探测成为可能；光电效应使得高速探测成为可能。热探测照相底片速度太慢灵敏度低第三章 单光子探测光电效应发现以前：热探测照相底片速度太慢第三章 单光子探测1. 真空光电管 3-1光电倍增管A、基本结构通光窗口光阴极涂层阳极栅网真空引出电极偏置电压V光电流A光强VRPd1. 真空光电管 3-1光电倍增管A、基本结构通光窗口光阴B、特点：优点： 响应速度快（PS)； 暗电流小(PA)； 受光面积大； 灵敏度高。缺点： 体积大（cm)； 工作电压高(百V)； 无放大作用。应用范围：需要高速响应的场合

5、（P秒级）；需要大光照面积的场合。B、特点：优点：缺点：应用范围：典型国产光电管参数典型国产光电管参数2. 光电倍增管 (PMT)A.基本结构透射式PMT2. 光电倍增管 (PMT)A.基本结构透射式PMT反射式PMT反射式PMT优点：光信号放大（105109）；响应速度快（ns)；暗电流小(nA)；受光面积大（你要多大？）。光电倍增管特点缺点：体积大；工作电压高（通常在500-5000伏）；优点：光电倍增管特点缺点：3. 光谱响应阴极材料-决定长波极限；窗口材料-决定短波极限；结构-决定响应曲线形状， 响应速度总探测效率：总=cwc3. 光谱响应阴极材料-决定长波极限；（1）阴极材料阴极名称

6、材料成份截止波长(nm)标准编号银氧铯Ag-O-Cs1200S1砷化镓GaAs930新砷化镓铟InGaAs930新双碱Sb-Cs650 多碱Sb-Rb-Cs850Sb-K-CsNa-K-Sb-Cs日盲Cs-I320Cs-Te其他高温型、红外扩展型等（1）阴极材料阴极名称材料成份截止波长(nm)标准编号银氧（2）典型PMT光谱灵敏度曲线 （2）典型PMT光谱灵敏度曲线 量子信息技术1课件量子信息技术1课件量子信息技术1课件4 .国内外生产厂家国内： 华东电子管厂；目前型号不是太全 北京核仪器厂；部分产品被日本兼并！国外： 英国EMI ；型号基本齐全，性能较好！ 日本Hamamatsu；型号齐全，

7、市场占有率高！目前各种产品性能相近；注意：各厂家产品的光谱响应曲线略有差别，使用时应注意！4 .国内外生产厂家国内：注意：各厂家产品的光谱响应曲线略有3-2单光子检测（1）单光子的概念波段红外红光紫光紫外波长123986200 41303100能量ev12341光子能量=h=hc/ 1光子/秒 1光电子/秒 光电流=1.6x10-19A=1.6x10-4 fA光电效应描述光的单位：波长、能量、频率、波数3-2单光子检测（1）单光子的概念波段红外红光紫光紫外波长1.6x10-4 fw功率目前最好的光功率计测量极限：10pw=10-11W普通检测方法的灵敏度要差107量级！常规方法无法检测到单个光

8、子信号，必须有特殊的方法和探测手段！1.6x10-4 fw功率目前最好的光功率计测量极限：10p以量子观念，任何一束光都可以看成是光子流。（2）光子流密度 R 光子流密度例：一只10-15cm长的He-Ne激光器，输出功率约1mW。对应的光子流密度：R=W/Ep=3.2X1015光子/秒！任何肉眼可见的光强，其光子流密度都是非常巨大的！以量子观念，任何一束光都可以看成是光子流。（2）光子流密度 1. 弱光测量噪声(1)光噪声3-3噪声与干扰背景光（环境光，原则上可屏蔽）杂散光与信号没有关系的杂散光与信号有相位关系的杂散光一次杂散光二次激发杂散光(Stray light)1. 弱光测量噪声3-3

9、噪声与干扰背景光（环境光，原则上可(2)电噪声干扰噪声-与系统外界电磁设备、天体运转 等有关，通常与时间有关！ 原则上可以屏蔽和祛除！-与系统外界无关且无用的信号， 与时间无关！（3）信号测量 定义：信噪比通常包括了噪声和干扰在内一般认为：Sn1为信号测量极限！干扰-与系统外界电磁设备、天体运转 -与系统外界微弱信号测量的核心就是如何提高信噪比！实际的方法：（i）放大信号；（ii）抑制噪声。定义：信噪比提高 R-通常用来评价信号处理系统的性能！微弱信号测量的核心就是如何提高信噪比！R-通常用来评价信号(4)噪声与干扰电子噪声电路噪声自然噪声干扰热噪声1/f量子天体空间感应串扰周围设备开关,可控

10、硅供电功率不足地线不合格1. 影响测量的主要噪声与干扰源(4)噪声与干扰电子噪声电路噪声自然噪声干扰热噪声1/f量子 2. 环境干扰大致时间分布1/年，季节变化等1/日，早、晚等1/时，上下课等1/分，电梯等50Hz及其倍频电视广播手机等1/f热噪声 2. 环境干扰大致时间分布1/年，季节变化等1/日，早、晚3. 噪声的常见来源（1）. 电路噪声-无法通过改善系统外部环境而得到改善！热噪声-与温度直接相关，温度越高则噪声越大！1/f噪声（闪烁噪声）-原因不明，可能跟材料及器件的某些结构或加工相关！量子噪声-小信号的量子起伏引起。问题：在量子信息中还需要考虑吗？（2）. 自然噪声a. 天体噪声宇

11、宙电磁辐射-1GHz左右，对量子信息开始有影响水相关的散射-20GHz左右，现代通信的上限O2分子的散射-60GHz左右，目前无关，20年后有影响宇宙射线的激发-十分钟量级，对低计数率的实验有影响3. 噪声的常见来源（1）. 电路噪声-无法通过改善系统b. 空间噪声广播 1kHz-1MHz左右，几乎24小时；电视 10MHz量级， 几乎24小时；手机信号 1-3GHZ，24小时；（3）.干扰a.空间感应干扰周边电磁设备相对运动电机，电梯，电磁炉开关闸流管，可控硅（很严重）计算机(最严重）b.串扰计算机其他电器设备（特别是高频设备）通过共用动力线耦合应特别注意的干扰：工频（50Hz及其倍频）两种

12、耦合都有！b. 空间噪声广播 1kHz-1MHz左右，几乎24小A干扰 （4）. 解决方案 解决问题的关键：找到干扰源A干扰 （4）. 解决方案 解决问题的关键：找到干扰源B电路噪声 采用微弱信号检测技术B电路噪声（1）零线与地线(5). 接地 接地的目的：注意：a. 给电路提供一个共同参考电位点b. 提供安全保护直流地交流地c.任何地线都会存在电阻、电容、电感数字地模拟地在混合PCB中数字地和模拟地一定要分开！（1）零线与地线(5). 接地 接地的目的：注意：a. 给电A. 就近接地各点电位（2） 接地方式A. 就近接地各点电位（2） 接地方式缺点：干扰很大，任用电器上的电压将随其他用电器

13、的工作电流而变化，特别是其他用电器用电量 很大的时候优点：简单，方便！实验室常用的接地方法缺点：干扰很大，任用电器上的电压将随其他用电器优点：简单，方B. 单点接地各点电位B. 单点接地各点电位优点：各设备地独立，尽管各自的地电位不一致， 但不互相干扰。缺点：地线变长，电感变大，高频时耦合干扰严重1MHzf10MHz 时 应采用单点接地，但地线长度应尽可能短 （不超过所用电磁波长的120）注意：事实上，接地点永远不可能独立，只是参考点的远近 问题，不存在绝对互不干扰的接法！f10MHz 时最好不用优点：各设备地独立，尽管各自的地电位不一致，1MHzf10MHz注意：（1）实际实验室中，三种地都

14、表现为就近接地方式， 只不过远近有差别而已！ 实际地线应尽可能加粗地线！（2）上述接地方法适用于PCB板设计种，如果条件允许， PCB板中地线应宽于3mm！(条件允许的话）适用范围：f 10MHz注意：（3） 接地位置举例：简单的传感器及其信号放大电路（3） 接地位置举例：简单的传感器及其信号放大电路等效电路：信号线电阻：屏蔽线电阻：放大器输入阻抗：地间电阻：地间电位差：等效电路：信号线电阻：屏蔽线电阻：放大器输入阻抗：地间电阻：串并联关系：放大器输入噪声电压：串并联关系：放大器输入噪声电压：设：两接地点间电压差为1mV信号传输线的内外层电阻：两个接地点间电阻：放大器输入电阻：对弱信号测量，巨

15、大的干扰！设：两接地点间电压差为1mV信号传输线的内外层电阻：两个接地改进的方法：浮地：注意屏蔽线连接位置改进的方法：浮地：注意屏蔽线连接位置两接地点间电流为1mV信号传输线的内外层电阻：两个接地点间电阻：放大器输入电阻：浮地电阻极限情况：两接地点间电流为1mV信号传输线的内外层电阻：两个接地点间电探测器应与放大器不可各自接地，必须同点接地！结论： 信号线电阻 应尽可能小，应取粗导线！ 信号源浮地 ，放大器浮地也可， 可根据实际情况决定！但通常不这么做；最好用电池供电。探测器应与放大器不可各自接地，必须同点接地！结论： 信号6. 抗感应干扰 采用双绞线传输信号：d1 d2,C1C2 电容耦合干

16、扰！D1=d2, C1=C2耦合抵消）最好用层叠薄膜屏蔽电缆！注意：）所有弱信号线尽可能固定！6. 抗感应干扰 采用双绞线传输信号：d1 d2,C1不应以屏蔽线作为信号传输用易受干扰；信号应与前置放大器在同一点接地，不能多点接地；尽可能减少信号线与地之间的环路面积降低干扰；弱信号应与大电流线远离、垂直最好；模拟和数字电路的地要分开；信号线应尽可能短；必要时采光隔离耦合；高频附近应严格隔离。7. 弱信号布线注意事项 不应以屏蔽线作为信号传输用易受干扰；7. 弱信号布线注意3- 4直流弱信号测量测量极限决定于电路中噪声信号的大小 （假定所有外部干扰场被排除）电流：（一）噪声1热噪声（Johnson

17、 noise）电压： Nyguist公式（奈奎斯特） 噪声与f 无关白噪声3- 4直流弱信号测量测量极限决定于电路中噪声信号的大流过测量设备某截面电子数的起伏（涨落）Schottky公式与f 无关2散粒噪声流过测量设备某截面电子数的起伏（涨落）与f 无关2散粒噪声来自复杂的物理过程，是一种实验规律的总结与f成反比，高频（1MHz以上）的时候， 此噪声几乎可以忽略！31f 噪声来自复杂的物理过程，是一种实验规律的总结与f成反比，高频（1对于给定的直流电压，多大的信号才可以测呢？（二）测量极限简单地说，1V的信号可以测吗？什么才是可测的信号？通常认为：信噪比Sn1信号才是可测的信号！对于给定的直流

18、电压，多大的信号才可以测呢？（二）测量极限简单直流可测信号的范围可归结为：信号的短路电流才是决定信号可测与否的关键！直流可测信号的范围可归结为：信号的短路电流才是决定信号可测与信号源电阻1信号电压1V灵敏度要求在1V以上信号电流1nA特点：offset 电流（无信号电流输入时的电流指示）小；Offset电压（测电流时）小；漏电流（漏电流存在）小；输入电阻10M（三）弱信号测量设备1数字万能表（DMM）,Digital Multimeters特点：输入电阻大，约在 10M1G之间 适用范围：信号源电阻1信号电压1V（三）弱信号测量设备1数字万输入电阻高1电流分辨率 1nA(10-9A 以下）电压

19、灵敏度1V(10-6以下）DMM不适用测量输入电阻高1电流分辨率 1nA(10-9A 以下）特点：覆盖DMM的全部测量范围，但低内阻信号测量并 不比DMMs好！输入电阻大高！ 容易受到外界干扰， 电压噪声与漂移严重！（2）电阻高于附加负载小（1）电信号源电阻高于静电计（Etectrometer）下列情况之一必须用静电计：测量范围大小（1）信号电流低于100PA（2）且表压降小于100mV电荷测量及其他灵敏电流测量接近Johnson噪声的信号。（2）电阻高于附加负载小（1）电信号源电阻高于静电计（E3.纳伏表（nanovoltmeter)测量微弱电压的 专用表特点： 比静电计的测量内阻略小； 电

20、压噪声及漂移比静电计好； 电流噪声及漂移比静电计差比DMMs好； 输入电阻与DMMs相当； 测量范围可到1nV左右。3.纳伏表（nanovoltmeter)测量微弱电压的 专用微弱电流测量专用表特点： 灵敏度低于静电计； 电流测量功能高于DMMs； 价格低。4.皮安表（nanoammeter) 微弱电流测量专用表4.皮安表（nanoammeter) 三种直流弱信号测量装置的适用范围：三种直流弱信号测量装置的适用范围：1常（差）模噪声抑制比（ NMRR）（四）噪声类别及其抑制与信号的输入方式一样，通常难以抑制；针对特殊频率可采用滤波方式抑制。例如：工频50Hz及其倍频干扰等。1常（差）模噪声抑制

21、比（ NMRR）（四）噪声类别及其抑制2共模噪声抑制比（ CMRR）共模噪声同时加在测量仪器的输入两端，与实际信号不同；实验中较容易抑制。优秀仪表的上述值：NMRR80dB；CMRR120dB注意：dB值在电学和光学上的差异。2共模噪声抑制比（ CMRR）共模噪声同时加在测量仪器的输1.热电动势任何两种不同材料之间都可能产生热电动势；金属与其氧化物之间有可能产生热电动势。热电动势的量级：0.1nV1mV/。解决方法：尽量采用同种材料、同种加工工艺、同批次的连接导线、钉等；尽量不焊接，非焊不可时，采用低热电动势的焊料（Cd-Sn几纳伏） ；严格清洁表面，但不能使用腐蚀剂等（例如：盐酸、焊锡膏等）

22、；尽量保持测量系统恒温。（五）实际测量必须考虑的问题1.热电动势（五）实际测量必须考虑的问题 2.绝缘电阻注意：测量仪表的输入内阻要求应根据信号源的内阻决定！ 高信号源内阻 高源内阻的判据为： Vs1018好差差好聚乙烯polyethylone1016中好中好聚苯乙烯polysthrene1016中中差好？Kel-F1018好中差中陶瓷Ceramic1014-15差中好好尼龙Nylon1013-14差中差差环氧树脂Glass(expoxy)1013差中差差PVC5x1013好中中差酚醛树脂Glass(phenolic)1013差好好差石英玻璃类材料的压电性太强，不能用来作为微弱信号的绝缘材料用

23、！常用绝缘材料的可用性能表中文名称英文名称体电阻吸水性压电性摩单个光电子信号需放大107以上才可以用常规方法测量！3- 5单光子检测怎样才能测量单个光子呢？用无噪声放大器、不放大噪声的放大方法？压缩测量时间！内放大，不受热噪声影响！一、光电倍增管（PMT）单个光电子信号需放大107以上才可以用常规方法测量！3-1、PMT脉冲特性 （1）单光子脉冲（2）PMT的输出单光子脉冲；热激发脉冲；离子发射脉冲（天体）高能辐射脉冲；dynode级激发脉冲2. 减少暗计数的方法1）降温；2）屏蔽；3）甑别。1、PMT脉冲特性 （1）单光子脉冲2. 减少暗计数的方法1量子信息技术1课件3、脉冲高度分析3、脉冲

24、高度分析4、单光子检测用PMT的选取 （1）放大倍数应大于105；（2）峰值响应在待测波长处；（3）阴极暗电流在nA以下； （来自于阴极蒸镀时的污染，真空度）（4）渡越时间及其分散（越小越好！） 决定脉冲宽度4、单光子检测用PMT的选取 （1）放大倍数应大于105；二、微通道板PMT1、微通道管微通道电子倍增器偏置电压V+_二、微通道板PMT1、微通道管微通道电子倍增器偏置电压V+_光阴极聚焦极微通道板阳极真空2. 微通道光电倍增管（MC-PMT)优点：电子渡越时间短，时间特性好（优于光电倍增管1-2个量级）缺点：价格约是PMT的数倍。光阴极聚焦极微通道板阳极真空2. 微通道光电倍增管（MC-

25、P36面阵单光子检测一、面阵PMT面电阻探测器位置计算机优点：可以单光子成像缺点：价格非常高（5-6万美圆）36面阵单光子检测一、面阵PMT面电阻探测器位置计算机优Phosphor面阵CCD二、像增强CCD（I-CCD）优点：可单光子成像；比较成熟；价格相对便宜（3-4万美圆）缺点： （1）CCD的噪声比PMT大（热噪声，读出噪声等都有）， （2）速度较慢（串行读出）。Phosphor面阵CCD二、像增强CCD（I-CCD）优点37红外光电子检测i红外响应限制ii常规，阴极高效率区1.1um 脱出功的影响决定 量子效率25，通常在1015之间iii特殊光电阴极可拓展到1.6um， 但效率只有0

26、.5 % 左右,在绝大多数量子信息领域都太低，且价格高 （68万/只） 一、PMT的困难37红外光电子检测i红外响应限制一、PMT的困难从原子分立能级到固态能带结构二、固体的能带结构从原子分立能级到固态能带结构二、固体的能带结构PIN光电二极管三、内光电效应与光电二极管PIN光电二极管三、内光电效应与光电二极管四、半导体单光子探测基本要求：）灵敏度高，噪声低；）有内放大作用，放大倍数105）具有很好的高频性能 结电容小 电子迁移率高结面积小（有效面积小）四、半导体单光子探测基本要求：）灵敏度高，噪声低；结面积小雪崩光电二极管PerkinElmer SPCM雪崩光电二极管PerkinElmer

27、SPCM五APD的种类Si基APD0K-1.17evRT-1.1ev禁带宽度有效工作范围： 0.41.0mAPD的透过率限制！五APD的种类Si基APD0K-1.17ev禁带Ge基APD有效探测范围： 1.7m液氮温度下的实用红限波长1.45m0K-0.74evRT-0.64ev禁带宽度通讯窗口：0.85, 1.31, 1.55mGe基APD有效探测范围： 1.7m液氮温度下的实InGaAs/InP异质结APD0K-1.52evRT-1.43evGaAsInAs0K-0.43evRT-0.36ev0K-1.520.43ev 可变RT-1.430.36ev 可变InP0K-1.42evRT-1.

28、28ev禁带宽度实际可测范围：0.9-1.6mInGaAs/InP异质结APD0K-1.52evGInGaAs cut-off wavelength vs. TInGaAs cut-off wavelength vs. 六工作模式常规工作模式常规偏置电压略小于雪崩电压放大倍数约10100倍六工作模式常规工作模式常规偏置电压略小于雪崩电压被动淬灭模式每秒可测光子数100Kc/s !优点：电路简单，易实现。缺点：死时间长，计数率低；脉冲幅度低，效率不高。依靠负载电阻，实现雪崩电流的截止！被动淬灭模式每秒可测光子数100Kc/s !优点：电路简主动淬灭模式优点：（1）死时间短，可计数率高 ；暗计数率

29、降低；（2）时间特性好，可用于时间相关测量。计数率可达 610Mc/s主动淬灭模式优点：计数率可达 610Mc/sPerkinElmer SPCM Thick Si Single photon APD and active quenching Detection efficiency: 70%650nm 50%830nm Best dark counts: 25 cps Single photon timing resolution: 350 ps Dead time: 50-60 ns热激发-降温ii耗尽层隧穿-外加偏压不能太高理论上:在无激发光子时,耗尽层内应该没有电子通过;实际上:总有高

30、能量电子隧穿势垒,形成雪崩电流。暗计数来源i热激发-iii后脉冲效应-温度不能太低半导体中的势阱俘获电子，热激发束缚电子造成电子 再激发进入导带，导致后脉冲！e-+e-e-导带价带hiii后脉冲效应-决定后脉冲的因素i 势阱浓度限制计数率Si15MHzInGaAs/InP1MHzii势阱深度（强度）iii前一次激发相隔时间iv环境温度材料的基质材料的纯度加工工艺杂质，缺陷决定后脉冲的因素i 势阱浓度限制计数率ii势阱深度（强度减少后脉冲的方法减少后脉冲的方法38超导光子探测器1、温度临界相变（Transition Edge Sensor）- TESTES: Transition-edge se

31、nsor原理:超导态和正常态的临界转换对材料要求:低 Tc,窄 T ,光吸收能力强38超导光子探测器1、温度临界相变（TransitioR（）T（）Rn25 mW filmAl wiringSiA. J. Miller et al, Appl. Phys. Lett., vol 83 pp 791 (2003)R（）T（）Rn25 mW filmAl wiringTungsten TES钨膜厚35nm 面积:25 mum 25mum 与光纤耦合距离为125mum 硅(Si, silicon)衬底Tc约125mK, T 约1mKTungsten TES钨膜厚35nm 基于钨TES的单光子探测方案

32、基于钨TES的单光子探测方案 Device is voltage biased Current through device is pre-amplified using a cryogenic SQUID array amplifier TES is cooled to 100mK Output signal is proportional to number of absorbed photons Photon-number resolution Speed (trise100 ns, tfall10 ms) much lower than APDs Low Noise: NEP 20%

33、measured. Target of 80% with AR coatings 没有明确的波长限制 Device is voltage biasedOutpu钨TES单光子探测实验结果光源波长为1550nm repetition rate:500Hz 光脉冲强度: 4 photon/pulse 服从关于n的Poisson分布P (n)=( n / n!) Exp- =4.02+0.16 钨TES单光子探测实验结果光源波长为1550nm 2、超导临界电流密度光子探测SSPD3.5-nm film3.5-nm-thick deviceNbN超导临界电流密度2、超导临界电流密度光子探测SSPD3.5-nm film3Performance of NbN SPDDark count Rate: 1Gcps)。 4、 光子数分辨功能 TES器件、有效测量谱范围宽热效应测量，在红外特别是在远红外和太赫兹波段，优势更明显！超导单光子探测器的特点：优点：缺点、需要超低温系统；、两种结构器件的性能不能统一；、目前还不成熟。缺点总结、单光子探测采用脉冲甑别模式相关电路必须在高频下工作（3