(高清版)GBT 43784-2024 单光子源性能表征及测量方法

单光子源性能表征及测量方法2024-03-15发布2024-10-01实施国家标准化管理委员会GB/T43784—2024 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4单光子源的性能表征 4.1概述 24.2确定性单光子源性能表征 4.3概率性单光子源性能表征 24.4准单光子源性能表征 35测量方法 35.1光子光谱分布 35.2光子空间分布 5.3光子通量 35.4光子时域分布 45.5光子偏振度 45.6光子发射速率带宽 55.7单光子纯度 5.8单光子产率 65.9光子全同度 65.10光子相干长度 76测试报告 7I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SAC/TC578)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、中国科学技术大学、科大国盾量子技术股份有限公司、华东师范大学、山西大学、中国电子信息产业集团有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国计量大学、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院、中国电子科技集团公司第四十一研究所、济南量子技术研究院。1单光子源性能表征及测量方法1范围本文件描述了表征单光子源性能的参数和测量方法。本文件适用于单光子源的性能评价和测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T3102.6—1993光及有关电磁辐射的量和单位JJF1032—2005光学辐射计量名词术语及定义3术语和定义GB/T3102.6—1993和JJF1032—2005界定的以及下列术语和定义适用于本文件。在测量或应用的有效周期内发射非零光子数等于1的概率为100%的光源。注：理想的单光子源是指在测量或应用的有效周期内发射光子数等于1的概率为100%的光源。光子通量photonflux单位时间间隔内发射、传输或接收的光子数。注：单位为每秒(s-1)。光子相对光谱photonrelativespectrum光子通量(3.2)在不同频率(或真空波长)上的相对密集度。光子通量(3.2)在空间上的相对密集度。光子时域分布photontemporaldistribution光子通量(3.2)在时域上的相对密集度。光子发射速率photonemissionrate光源在单位时间间隔内发射光子的次数。2GB/T43784—2024单光子纯度single-photonpurity光源在连续多个测量或应用的有效周期内发射光子数等于1的周期内的总光子数与所有周期总光子数的比值。光子电场在与光子传播方向垂直的平面内振荡的方向。光子全同度photonindistinguishability两个光子模态的不可区分程度。光子相干长度photoncoherencelength光子在传播方向上保持相干性的距离。单光子产率single-photonyield光源受到一次有效激励后发射出一次单光子的概率。确定性单光子源deterministicsingle-photonsource能在未来任意指定时刻作为单光子源(3.1)的光源。概率性单光子源probabilistiesingle-photonsource无法在未来任意指定时刻作为单光子源(3.1),但通过光子发射时的关联物理现象能确定某些时刻作为单光子源(3.1)的光源。准单光子源quasi-single-photonsource性能不完全符合但接近单光子源(3.1)、能在测量或应用中代替单光子源(3.1)使用的光源。4单光子源的性能表征4.1概述常见单光子源主要包括3种：确定性单光子源、概率性单光子源和准单光子源。不同性能参数用于表征单光子源接近理想单光子源以及满足量子测量和应用需求的程度。4.2确定性单光子源性能表征确定性单光子源利用脉冲光、电、磁等方式对单原子、单离子、单分子、单量子点或单缺陷等量子系统进行有效激励而实现。单光子的发射确定在有效激励之后的特定时间间隔内发生。表征确定性单光子源的主要性能参数包括光子光谱分布、光子空间分布、光子通量、光子时域分布、光子偏振度、光子发射速率带宽、单光子纯度、单光子产率、光子全同度及光子相干长度。4.3概率性单光子源性能表征概率性单光子源又称预报式单光子源，通过自发参量下转换、四波混频等方式产生的关联光子对来实现，对非局域关联共轭光路中的其中一路进行单光子纯度检测，确定该路具有单光子源特性的时刻，从而确定另一路作为单光子源的时刻。表征概率性单光子源的主要性能参数包括光子光谱分布、光3子空间分布、光子通量、光子时域分布、光子偏振度、单光子纯度、单光子产率、光子全同度及光子相干长度。4.4准单光子源性能表征准单光子源的性能表征主要针对其在测量或应用中代替单光子源的性能参数。一种常见的准单光子源通过将激光光源在测量或应用周期内的平均光子数衰减到远小于1的方法来实现，在二阶相干度上仍然表现为相干光源，但在测量或应用的有效周期内光子数等于1的概率远大于光子数大于1的概率，符合光子数统计分析等测量和应用的要求。表征准单光子源的主要性能参数包括光子光谱分布、光子空间分布、光子通量、光子时域分布、光子偏振度、单光子纯度及单光子产率。5测量方法5.1光子光谱分布使用具有光子测量灵敏度且相对光谱光子通量响应度经过标定的光谱仪，采用傅里叶变换干涉或者色散分光等方法进行测量，测量结果经过归一化表示为光子光谱分布函数。光子光谱分布的测量步骤如下：a)采用标准光谱光子通量源对光谱仪相对光子通量响应度进行标定，也可采用标准光谱光子亮度、照度或强度源在特定空间条件下进行标定；b)将单光子源发射的光子导入光谱仪；c)测量光谱仪在不同频率(或真空波长)上的响应；d)将光谱仪在不同频率(或真空波长)上的响应值根据标定的光谱仪相对光子通量响应度换算成光谱光子通量，归一化得到单光子源的光子光谱分布函数。5.2光子空间分布单光子源的光子空间分布通过扫描测量以单光子源为原点的空间各个方向上的光子通量进行表征。光子空间分布测量结果经过归一化得到光子空间分布函数。光子空间分布的测量有以下几个步骤。a)将单光子源放在基于光子探测器的空间变角扫描系统的坐标原点。当单光子源在空间各个方向上具有不同的光子光谱分布时，应采用具有光谱选择或扫描能力的光子探测器进行测量，包括但不限于具有光子测量灵敏度的光谱仪。b)在特定空间范围内，调节空间变角扫描系统的方位角和仰角，采集各个空间方向上的光子，记录光子探测器的采集立体角和单位时间光子响应数。c)对光子探测器在各个方位角和仰角测得的结果进行归一化，得到特定空间范围内的光子空间分布函数。5.3光子通量单光子源在窄带频率(或真空波长)上以及特定空间方向上的特定采集立体角内的光子通量采用光子探测器测量产生的单位时间光子响应数进行表征，结合经过标定的光谱探测效率进行推算。整个光谱范围内的光子通量可根据特定频率(或真空波长)上的光子通量和光子光谱分布进行推算。光子通量的测量有以下几个步骤。a)在特定窄带频率(或真空波长)和以单光子源为原点的特定空间方向上采用具有特定采集立体角和光谱选择和扫描能力的光子探测器进行收集。b)记录光子探测器测量产生的响应速率。4c)根据公式(1)计算得到单光子源在特定频率(或真空波长)上的特定带宽内以及特定空间方向上的特定采集立体角内的光子通量：①a.a(k,θ,w)=D₀/η……(1)式中：φa.A(k,θ,w)——在特定频率(或真空波长)上的特定带宽内以及特定空间方向上的特定采集立体角内的光子通量，其中，Ω为特定空间方向上的特定采集立体角，k为频率v或真空波长λ,△k为频率v或真空波长λ上的特定带宽，θ为方位D₉——响应速率；η——光子探测器的光谱探测效率。d)单光子源在特定空间方向上的特定采集立体角内以及特定光谱范围内的光子通量根据公式(2)计算得到：Dn.s(θ,w)=ʃsODna(k,0,w)/akdk (2)在特定空间方向上的特定采集立体角内以及特定光谱范围内的光子通量，S表示特定光谱范围。e)单光子源在窄带频率(或真空波长)上的特定带宽内以及特定空间范围内的光子通量根据公式(3)计算得到：Φσ.α(k)=[₆a²①a.n(k,θ式中：φc.x(k)——在窄带频率(或真空波长)上的特定带宽内以及特定空间范围内的光子通量，G表示特定空间范围。f)单光子源在特定空间范围以及特定光谱范围内的光子通量根据公式(4)计算得到：Φa.s=JsLd³Φa(k,θ,w)/(a0awak) (4)式中：φc.s——在特定空间范围以及特定光谱范围内的光子通量，G表示特定空间范围，S表示特定光谱范围。5.4光子时域分布单光子源的光子时域分布采用光子通量随时间的变化进行表征。通常采用具有时域高分辨能力的光子探测器进行连续测量。如果所采用光子探测器的探测效率为100%,直接测量得到单光子源的光子时域分布；但实际所采用光子探测器的探测效率一般小于100%,单次测量得到的是单光子源光子时域分布的一个采样，则通过重复测量增加采样次数对具有周期性规律的光子时域分布进行重构。光子时域分布的测量步骤如下：a)单光子源发射的光子被具有时域分辨能力δt的光子探测器收集；b)在给定时间段内以不小于δt的采样时间间隔连续记录光子探测器响应值；c)如果通过多次重复测量，发现单光子源发射的光子在时域上具有周期性规律，基于充分采样的测量结果和光子探测器的光谱探测效率对光子时域分布进行完整重构。5.5光子偏振度单光子源的光子偏振度采用光子偏振在与光子传播方向垂直的平面内不同方向上的密集度来表征。当光子偏振具有轴对称特点时，例如线偏振、圆偏振、椭圆偏振等，采用在两个正交方向上分别具有极大和极小密集度的对比度作为量化指标。5光子偏振度的测量步骤如下：a)在与单光子源发射光子的传播方向垂直的平面内放置线偏振器，采用光子探测器接收通过线偏振器的光子并记录给定时间段内测量产生的响应数；b)旋转线偏振器的偏振许可方向，记录测定时间段内在各个方向上光子探测器的响应数；c)将各个方向上的光子探测器响应数进行归一化表示，得到光子偏振分布函数；d)当光子偏振分布为线偏振、圆偏振、椭圆偏振等状态时，采用在两个正交方向上的光子探测器响应数的极大值和极小值，根据公式(5)计算得到单光子源的光子偏振度：式中：Dp——单光子源的光子偏振度；N+、N_——在两个正交方向上的光子探测器响应数的极大值和极小值。5.6光子发射速率带宽单光子源的光子发射速率带宽可采用光子发射速率饱和方法或光子激发态寿命统计方法进行表征。a)光子发射速率饱和方法测量步骤如下：1)采用短脉冲激励源以较慢的重复频率激励单光子源发射出光子；2)采用高速光子探测器采集单光子源发射的光子，并记录测量产生响应的速率；3)由慢至快逐步提高激励源的重复频率，直至光子探测器响应速率达到饱和；4)确定光子探测器响应速率为饱和响应速率的50%时的激励重复频率，作为光子发射速率带宽的量化指标。b)光子激发态寿命统计方法测量步骤如下：1)采用具有较慢重复频率的激励源激励单光子源发射出光子；2)采用具有时域分辨能力的高速光子探测器采集单光子源发射的光子，重复测量并统计；3)根据光子统计结果计算单光子源的激发态寿命，以其倒数作为光子发射速率带宽的量化指标。5.7单光子纯度单光子源的单光子纯度通过光子数统计法或者汉伯里·布朗-特维斯(HanburyBrown-Twiss,HBT)干涉实验法进行表征。a)光子数统计法：采用光子数分辨探测器测量光子数统计分布，计算连续多个测量或应用的有效周期内发射光子数等于1的周期内的总光子数与所有周期总光子数的比值作为量化指标，该指标越接近1越好。测量有以下几个步骤。1)将单光子源发射光子导入光子数分辨探测器进行测量。2)测量给定时间段内多个连续有效周期内光子数分辨探测器的响应数，记录统计结果Pp(np),其中np为单个有效周期内探测到的响应数(非负整数),Pp为具有该探测响应数的有效周期的概率。3)当光子数分辨探测器的探测效率η=100%时，所测得的光子数统计结果即为单光子源发射光子的光子数统计结果PE(ne)=Pp(np),其中ng为单个有效周期内单光子源发射的光子数(非负整数),Pg为单光子源发射该光子数的有效周期的概率。4)当光子数分辨探测器的探测效率η<100%时，所测得的光子数分辨探测器的响应统计结果Pp(np)相当于单光子源所发射光子的统计分布Pg(ng)的采样测量。采用具有特定平均光子数和光子统计分布类型的标准光子通量源、测量得到光子数分辨探测器对该标6准光子通量源的平均响应数和响应统计分布，获得光子数分辨探测器的采样规律，并结合待测单光子源的平均光子数、光子数分辨探测器平均响应数和响应统计分布推算得到待测单光子源的发射光子统计分布PE(nE)。5)根据公式(6)计算得到单光子源的单光子纯度p:p=PE(1)/≥[iPE(i)]…………(6)式中：p——单光子源的单光子纯度；Pr(1)—-单光子源单个有效周期内发射的光子数为1的概率；i——单光子源单个有效周期内发射的光子数，取值为1～舍所有正整数；PE(i)——单光子源单个有效周期内发射的光子数为i的概率。b)HBT干涉实验法：采用零时差归一化二阶相干度值作为量化指标，该指标越接近0越好。测量步骤如下：1)将单光子源发射的光子导入HBT干涉仪；2)调节HBT干涉仪两路信号的时间差r,测量给定时间段内光子探测器A和光子探测器B的各自独立探测到光子的响应数NA和Ng以及光子探测器A和光子探测器B的同时探测到光子的响应数Nc;3)根据公式(7)计算二阶相干度g²(r):式中：g²)(r)——r时刻的二阶相干度；r——光子从HBT干涉仪对的分束器开始分别达到两个光子探测器A和光子探测器B、产生响应再传输到符合计数端口进行测量整个过程的时间差；NA、Ng——光子探测器A或光子探测器B各自独立在t时刻的给定时间段内探测到的光子的响应数；Nc——光子探测器A和光子探测器B同时探测到光子的响应数。当调节HBT干涉仪两路信号的时间差至r=0时，得到二阶相干度零时差值g(2)(0),作为单光子纯度的量化指标。通常g(2)(0)值越小，表示单光子纯度越高。单光子纯度为100%的单光子源的g(2)(0)为0。5.8单光子产率单光子源的单光子产率通过测量给定时间段内特定条件下产生单光子的数量与有效激励的次数进行表征，采用两者的比值作为量化指标。试验中采用响应带宽大于单光子源激励信号重频的光电探测器、时域信号分析仪以及具有光子数分辨能力的光子探测器。单光子产率的测量步骤如下：a)通过光电探测器和时域信号分析仪测量单光子源激励信号的时域和周期特性；b)按照5.7光子数统计法测得单光子源在与激励信号同周期的特定时间间隔内发射光子数为1的概率，即为单光子产率。5.9光子全同