单光子源性能表征及测量方法-编制说明

《单光子源性能表征及测量方法》

国家标准

编制说明

（征求意见稿）

2023年3月12日

《单光子源性能表征及测量方法》国家标准

编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2021年10月13日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2021年第三批

推荐性国家标准计划和46项推荐性国家标准外文版计划的通知》（国标委发

〔2021〕23号），下达了《单光子源性能表征及测量方法》推荐性国家标准的制

定任务，计划号：20214291-T-469，项目周期24个月。本项目由全国量子计算

与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提出并归口，由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、中科院上海微系统所、华

东师范大学、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、中国电子信息集团有限公司、山西大学等单位

共同负责标准起草。其中，中国计量科学研究院为该标准起草工作的牵头单位。

（二）制订背景

单光子源在量子通讯、量子计算、量子增强成像等新兴量子技术中扮演着重

要的角色。国家在十九届五中全会上发布的《“十四五”规划和2035年远景目标

的建议》中明确表示，瞄准量子信息等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性

的国家重大科技项目，是未来科技创新工作的重点内容。高性能单光子源能够作

为一种新的量子计量标准，为单光子探测器的精确校准、量子随机数的产生、量

子密钥分配、亚散粒噪声计量等前沿量子科学领域研发和成果应用转化服务，准

确地表征单光子源的发光性能，对完善量子技术体系尤其量子测量标准化体系具

有重要作用。

目前国内外对于单光子源的研制和性能评估的研究发展地很快，国际光度与

光辐射咨询委员会(CCPR)在最新的战略文件中明确写明了发展新型稳定的单光

子源、降低单光子量级下的光辐射测量不确定度是未来的主要发展方向之一。但

是，目前各相关研究机构尚未实现对单光子源发光性能表征方法的统一。欧盟计

量组织初步开展了对单光子源发光性能的国际比对工作，但是也尚未形成完整的

1

标准文件，这为比较不同单光子源的发光性能带来混淆和概念不清。

因此，需要对单光子源性能表征过程中产生的术语进行统一，规定描述单光

子源性能的主要指标和测量方法，使单光子源性能的比较具有科学性和一致性，

以进一步促进单光子源研究和应用的发展。

（三）主要工作过程

1.成立标准起草工作组

2021年10月，接到国家标准化管理委员会《单光子源性能表征及测量方法》

计划下达通知，全国量子计算与测量标准化技术委员会（TC578）与牵头起草单

位中国计量科学研究院商议后，立即启动标准起草工作。

2021年11月，TC578发布关于公开征集《光钟性能表征及测试方法》等五

项推荐性国家标准计划项目起草单位和起草专家的通知》。截止2021年12月10

日，《单光子源性能表征及测量方法》标准共收到14家单位24位专家的申请表。

根据申请情况，结合申报单位情况、专家研究经验与标准编制工作安排，最终确

定来自10家单位的18位专家加入标准起草工作，成立标准起草工作组。

2.编制标准草案初稿

经过一番准备与部署，2022年3月，在TC578的支持下，中国计量科学研

究院组织召开标准启动会暨第一次研讨会（会议相关文件见附件1）。第一次研

讨会以视频会议形式进行，会上标准起草工作组就标准草案框架和主要内容进行

详细讨论，最终初步确定标准框架，包括范围、规范性引用文件、术语和定义、

单光子源的分类、单光子源的性能表征、仪器设备和测量方法7个部分。

3.组织召开标准内部研讨会和专家咨询会，编制完成标准草案

2022年4月-8月，中国计量科学研究院联合其中来自华东师范大学、中国

科学技术大学和中国计量大学的3位专家成立标准起草核心工作组，通过分工合

作、收集资料、文献调研、实验数据整理、交流研讨等诸多方式，补充完善标准

草案稿。

4.编制标准征求意见稿及编制说明征求意见稿

2023年1月，在TC578的支持下，中国计量科学研究院组织召开标准研讨

会（会议相关文件见附件2）。研讨会以视频会议形式进行，会上标准起草工作组

就标准草案各章节主要条款逐条进行详细讨论，最终就标准范围、术语和定义部

2

分达成共识，并对仪器设备、单光子源的性能表征和测量方法部分形成修改建议。

经过修改完善，最终形成标准征求意见稿及编制说明征求意见稿。

（四）主要参与单位、工作组成员及工作

本标准由中国计量科学研究院牵头，主要参与的起草单位有中国科学技术大

学、科大国盾量子技术股份有限公司、中科院上海微系统所、华东师范大学、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、中国电子信息集团有限公司、山西大学等。

主要起草人员及工作如表1所示：

表1标准起草人员及主要工作

序号工作单位主要工作

牵头标准预研，负责全面制订工作，包括制订

1中国计量科学研究院计划推进、草案编写、组织讨论和综合意见建

议等

科大国盾量子技术股份有参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

2

限公司单光子源分类提出修改意见

参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

3华东师范大学

单光子源分类提出修改意见

参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

4中国计量大学

单光子源性能表征提出修改意见

中国电子科技集团公司第参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

5

四十一研究所单光子源性能表征提出修改意见

参与标准预研，参与标准讨论并提供意见，重

6中国科学技术大学点对单光子源术语定义、测量方法提出修改意

见

中科院上海微系统与信息参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

7

技术研究所单光子源分类提出修改意见

中国电子信息产业集团有参与标准讨论并提供意见，重点对单光子源仪

8

限公司器设备和测量方法提出修改意见

深圳中国计量科学研究院参与标准讨论并提供意见，重点对单光子源仪

9

技术创新研究院器设备和测量方法提出修改意见

参与标准讨论并提供意见，重点对单光子源术

10山西大学

语定义、测量方法提出修改意见

二、标准编制原则和主要技术内容

（一）标准编制原则

本标准文件遵循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》和GB/T20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》

的规则起草。

3

(1)在国内当前的技术条件下实现标准化目标具有完全可能性；

(2)本项目的技术与主流技术发展方向相符合；

(3)当前技术条件下标准可实现。

（二）确定标准主要内容的依据

国际层面目前尚未形成较为系统成熟的单光子源性能表征方法标准。国内各

研究单位在自主研发单光子源的过程中，也对单光子源的性能进行了评估，但是

目前对性能参数指标和测量方法尚未统一，国内也没有相应的国家标准或行业标

准。

本标准在单光子源性能表征的指标选取上，重点瞄准在单光子源应用于相关

行业中所涉及到的重点参数；在测试方法选择上，尽量选用实验室普遍采用的分

析技术和仪器，选择准确、可行和便于操作的分析条件，以保证检测方法的可操

作性和可重复性。

（三）标准主要技术内容说明

本标准规定了表征单光子源性能的参数和测量方法，适用于单光子源的性能

评价和测试。

本标准的主要技术内容包括：1范围、2规范性引用文件、3术语和定义、

4单光子源的分类、5单光子源的性能表征、6仪器设备、7测量方法。

三、试验验证情况说明

分别根据本标准所规定的单光子纯度和光子通量测量方法，对SiV单光子源

的单光子纯度和光子通量进行测试验证，结果如下：

1.单光子纯度测试

金刚石SiV为典型的固体单光子源，通过光致激励使SiV发射光子后，利用

HBT干涉仪，对发射光子进行二阶关联统计，结果如图1所示，通过实验，测得

该SiV单光子源在τ=0时刻的二阶关联函数，即g(2)(0)的值为0.095，表面待

测的单光子源具有较好的单光子纯度。

4

图1.SiV单光子源的HBT实验结果，表示SiV单光子源的二阶关联程度

2.光子通量测试

通过使用量子效率经过标定的光子探测器，对待测SiV单光子源在不同激励

功率下的光子通量进行测量，其结果如图2所示。现有的SiV单光子源在一定的

激励功率范围内，随着激励功率的增加，单光子源的出射光子通量随之增加。

图2.SiV单光子源在不同激励功率下的光子通量测试结果

3.光子全同度测试

根据标准规定的方法，如图3所示，将待测单光子源出射光通过50/50分束

器分束后，分别导入两个光子探测器D1和D2，并通过时间关联计数装置，测量在

两个光路入射时间差Δτ下两个探测器同时探测到光子的事件数Nc，并根据相应

公式计算可见度Vm以表征光子全同度，该测试条件下光子全同度为95.9%。

5

图3.单光子源光子全同度测试结果

通过对上述试验结果的验证分析，说明本标准目前在国内可以有效实施。

四、标准与其他国际、国外相关文件的关系

无。

五、标准与其他法律、法规、标准等的关系

经查，本标准与现有标准及制定中的标准无交叉重复，不涉及国内外专利，

与有关的现行法律法规和强制性国家标准无冲突。

六、重大分歧意见的处理经过和依据

无。

七、标准实施情况的建议和说明

本标准属于基础性标准，根据标准化法的相关规定，建议本标准为推荐性国

家标准。

本标准的实施，将为我国的单光子源性能测试与表征提供规范，有利于单光

子源在量子信息等前沿领域的规范应用，使单光子源性能的比较具有科学性和一

致性，以进一步促进单光子源研究和应用的发展。

八、其他应予说明的事项

无。

《单光子源性能表征及测量方法》国家标准编写工作组

2023年3月12日

6

目次

一、工作简况.................................................................1

（一）任务来源及协作单位.................................................................................................................1

（二）制订背景........................................................................................................................................1

（三）主要工作过程...............................................................................................................................2

（四）主要参与单位、工作组成员及工作......................................................................................3

二、标准编制原则和主要技术内容...............................................3

（一）标准编制原则...............................................................................................................................3

（二）确定标准主要内容的依据........................................................................................................4

（三）标准主要技术内容说明.............................................................................................................4

三、试验验证情况说明.........................................................4

四、标准与其他国际、国外相关文件的关系.......................................6

五、标准与其他法律、法规、标准等的关系.......................................6

六、重大分歧意见的处理经过和依据.............................................6

七、标准实施情况的建议和说明.................................................6

八、其他应予说明的事项.......................................................6

I

《单光子源性能表征及测量方法》国家标准

编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2021年10月13日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2021年第三批

推荐性国家标准计划和46项推荐性国家标准外文版计划的通知》（国标委发

〔2021〕23号），下达了《单光子源性能表征及测量方法》推荐性国家标准的制

定任务，计划号：20214291-T-469，项目周期24个月。本项目由全国量子计算

与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提出并归口，由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、中科院上海微系统所、华

东师范大学、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、中国电子信息集团有限公司、山西大学等单位

共同负责标准起草。其中，中国计量科学研究院为该标准起草工作的牵头单位。

（二）制订背景

单光子源在量子通讯、量子计算、量子增强成像等新兴量子技术中扮演着重

要的角色。国家在十九届五中全会上发布的《“十四五”规划和2035年远景目标

的建议》中明确表示，瞄准量子信息等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性

的国家重大科技项目，是未来科技创新工作的重点内容。高性能单光子源能够作

为一种新的量子计量标准，为单光子探测器的精确校准、量子随机数的产生、量

子密钥分配、亚散粒噪声计量等前沿量子科学领域研发和成果应用转化服务，准

确地表征单光子源的发光性能，对完善量子技术体系尤其量子测量标准化体系具

有重要作用。

目前国内外对于单光子源的研制和性能评估的研究发展地很快，国际光度与

光辐射咨询委员会(CCPR)在最新的战略文件中明确写明了发展新型稳定的单光

子源、降低单光子量级下的光辐射测量不确定度是未来的主要发展方向之一。但

是，目前各相关研究机构尚未实现对单光子源发光性能表征方法的统一。欧盟计

量组织初步开展了对单光子源发光性能的国际比对工作，但是也尚未形成完整的

1

标准文件，这为比较不同单光子源的发光性能带来混淆和概念不清。

因此，需要对单光子源性能表征过程中产生的术语进行统一，规定描述单光

子源性能的主要指标和测量方法，使单光子源性能的比较具有科学性和一致性，

以进一步促进单光子源研究和应用的发展。

（三）主要工作过程

1.成立标准起草工作组

2021年10月，接到国家标准化管理委员会《单光子源性能表征及测量方法》

计划下达通知，全国量子计算与测量标准化技术委员会（TC578）与牵头起草单

位中国计量科学研究院商议后，立即启动标准起草工作。

2021年11月，TC578发布关于公开征集《光钟性能表征及测试方法》等五

项推荐性国家标准计划项目起草单位和起草专家的通知》。截止2021年12月10

日，《单光子源性能表征及测量方法》标准共收到14家单位24位专家的申请表。

根据申请情况，结合申报单位情况、专家研究经验与标准编制工作安排，最终确

定来自10家单位的18位专家加入标准起草工作，成立标准起草工作组。

2.编制标准草案初稿

经过一番准备与部署，2022年3月，在TC578的支持下，中国计量科学研

究院组织召开标准启动会暨第一次研讨会（会议相关文件见附件1）。第一次研

讨会以视频会议形式进行，会上标准起草工作组就标准草案框架和主要内容进行

详细讨论，最终初步确定标准框架，包括范围、规范性引用文件、术语和定义、

单光子源的分类、单光子源的性能表征、仪器设备和测量方法7个部分。

3.组织召开标准内部研讨会和专家咨询会，编制完成标准草案

2022年4月-8月，中国计量科学研究院联合其中来自华东师范大学、中国

科学技术大学和中国计量大学的3位专家成立标准起草核心工作组，通过分工合

作、收集资料、文献调研、实验数据整理、交流研讨等诸多方式，补充完善标准

草案稿。

4.编制标准征求意见稿及编制说明征求意见稿

2023年1月，在TC578的支持下，中国计量科学研究院组织召开标准研讨

会（会议相关文件见附件2）。研讨会以视频会议形式进行，会上标准起草工作组

就标准草案各章节主要条款逐条进行详细讨论，最终就标准范围、术语和定义部

2

分达成共识，并对仪器设备、单光子源的性能表征和测量方法部分形成修改建议。

经过修改完善，最终形成标准征求意见稿及编制说明征求意见稿。

（四）主要参与单位、工作组成员及工作

本标准由中国计量科学研究院牵头，主要参与的起草单位有中国科学技术大

学、科大国盾量子技术股份有限公司、中科院上海微系统所、华东师范大学、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、中国电子信息集团有限公司、山西大学等。

主要起草人员及工作如表1所示：

表1标准起草人员及主要工作

序号工作单位主要工作

牵头标准预研，负责全面制订工作，包括制订

1中国计量科学研究院计划推进、草案编写、组织讨论和综合意见建

议等

科大国盾量子技术股份有参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

2

限公司单光子源分类提出修改意见

参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

3华东师范大学

单光子源分类提出修改意见

参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

4中国计量大学

单光子源性能表征提出修改意见

中国电子科技集团公司第参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

5

四十一研究所单光子源性能表征提出修改意见

参与标准预研，参与标准讨论并提供意见，重

6中国科学技术大学点对单光子源术语定义、测量方法提出修改意

见

中科院上海微系统与信息参与标准预研，参与讨论并提供意见，重点对

7

技术研究所单光子源分类提出修改意见

中国电子信息产业集团有参与标准讨论并提供意见，重点对单光子源仪

8

限公司器设备和测量方法提出修改意见

深圳中国计量科学研究院参与标准讨论并提供意见，重点对单光子源仪

9

技术创新研究院器设备和测量方法提出修改意见

参与标准讨论并提供意见，重点对单光子源术

10山西大学

语定义、测量方法提出修改意见

二、标准编制原则和主要技术内容

（一）标准编制原则

本标准文件遵循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》和GB/T20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》

的规则起草。

3

(1)在国内当前的技术条件下实现标准化目标具有完全可能性；

(2)本项目的技术与主流技术发展方向相符合；

(3)当前技术条件下标准可实现。

（二）确定标准主要内容的依据

国际层面目前尚未形成较为系统成熟的单光子源性能表征方法标准。国内各

研究单位在自主研发单光子源的过程中，也对单光子源的性能进行了评估，但是

目前对性能参数指标和测量方法尚未统一，国内也没有相应的国家标准或行业标

准。

本标准在单光子源性能表征的指标选取上，重点瞄准在