捕捉光的量子態(tài)：單光子信號驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)揭秘

01 背景介紹

在現(xiàn)代量子技術(shù)領(lǐng)域，單光子作為量子信息的最小載體，其精準(zhǔn)操控與探測技術(shù)已成為量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、量子計(jì)算機(jī)研發(fā)、超靈敏量子傳感等前沿領(lǐng)域的核心基石。

特別是在高校量子力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，如何突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能局限，打通量子理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的“最后一公里”，構(gòu)建直觀可靠的單光子觀測系統(tǒng)，成為推動量子技術(shù)普及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)！

某量子測控公司是一家專注于量子教學(xué)科普與高端精密儀器的高科技企業(yè)，致力于推動量子教學(xué)儀器與高精尖設(shè)備的自主化與國產(chǎn)化。為了豐富高校量子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，他們推出了一款共聚焦單光子探測儀，旨在通過精準(zhǔn)的單光子信號驗(yàn)證，讓量子技術(shù)走進(jìn)課堂。

由于該客戶的數(shù)據(jù)事例率頻率為60kHz-80kHz，采用傳統(tǒng)示波器方案存在海量數(shù)據(jù)處理瓶頸、多通道同步精度不足、設(shè)備集成度低等痛點(diǎn)，中科采象依托自主研發(fā)的量子級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了突破性創(chuàng)新，為單光子探測提供了高效、精準(zhǔn)的解決方案。

02 解決方案

針對單光子計(jì)數(shù)測量技術(shù)中的信號采集與數(shù)據(jù)存儲需求，中科采象提供的高性能單光子技術(shù)測量解決方案具備高速、高精度、高同步性及便攜化等特點(diǎn)，全面適應(yīng)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)的需求：

高速高精度采集：采用四通道1GSPS采樣率、16-bit分辨率的數(shù)字化儀，獨(dú)立接收兩個APD的上升沿信號，精準(zhǔn)記錄光子到達(dá)的絕對時間（光子事件）。

納秒級死時間：每個通道的死時間小于1ns，確保高效捕捉連續(xù)光子事件，避免信號遺漏。

高同步精度：通道間同步精度高達(dá)10ps，滿足多通道信號的精確同步采集需求。

超高時間分辨率：時間分辨率＜10ps，可清晰分辨光子到達(dá)的先后順序或同時性，為判定單光子發(fā)射特性提供關(guān)鍵支持。

模塊化設(shè)計(jì)：數(shù)字化儀與機(jī)箱采用小型化設(shè)計(jì)，便于攜帶和部署，滿足教學(xué)系統(tǒng)的靈活使用需求。

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此外，為滿足單光子探測儀在暗箱體積限制下的便攜式教學(xué)需求，中科采象采用小型化PXIe兩槽機(jī)箱設(shè)計(jì)，結(jié)合雷電接口技術(shù)，可直接連接筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與操作。這一設(shè)計(jì)不僅大幅縮小了設(shè)備體積，還實(shí)現(xiàn)了教學(xué)系統(tǒng)的高度便攜化，方便在實(shí)驗(yàn)室、課堂等多種場景中靈活部署與使用。

圖1 單光子數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)

圖2 客戶現(xiàn)場使用圖

03 方案優(yōu)勢

相較于常規(guī)示波器方案，中科采象推出的高性能單光子技術(shù)測量解決方案，具備小型化設(shè)計(jì)、高信噪比、高采集精度、高時間分辨率（＜10ps）、寬動態(tài)范圍以及高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)勢，有效滿足單光子探測的高性能需求。

圖3 中科采象方案 vs 常規(guī)示波器：性能對比

04

應(yīng)用成效

某量子測控公司采用中科采象的高性能采集系統(tǒng)，成功驗(yàn)證了單光子信號特征，直接證明了共聚焦單光子探測儀的成功研制。這一成果為該公司教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)帶來了突破性進(jìn)展，推動了量子技術(shù)在教學(xué)與科研中的實(shí)際應(yīng)用。

圖4 使用客戶反饋的測試結(jié)果

上圖展示了客戶使用中科采象采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并通過二階關(guān)聯(lián)函數(shù)算法生成的擬合圖（定義x軸最小變化量：Δ=10ps）。該算法的本質(zhì)是將τ時間內(nèi)采集的N1×N2個離散τ值繪制成關(guān)于時間的直方圖（histogram），縱坐標(biāo)表示符合計(jì)數(shù)?？梢孕蜗蟮乩斫鉃閷1×N2個小球放入盒子中，觀察小球的分布情況，可能存在某些盒子可能裝滿了小球，而另一些盒子可能為空。

通過大量數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，單光子源背后的物理規(guī)律得以揭示。統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心理念正是通過分析小樣本數(shù)據(jù)來推斷整體群體的信息。使用單光子探測器與高速數(shù)字化儀收集信號，并根據(jù)其二階關(guān)聯(lián)函數(shù) G(2)(τ)判斷是否為單光子信號。單光子信號的一個重要特征是其在τ= 0 處呈現(xiàn)明顯的凹陷，且G(2)(τ)在歸一化之后小于0.4（論證值＜0.5），這一特征在擬合圖中清晰可見，驗(yàn)證了單光子信號的存在及其統(tǒng)計(jì)特性。

隨著我國量子科技"十四五"規(guī)劃全面推進(jìn)，未來，中科采象將持續(xù)以數(shù)據(jù)采集技術(shù)創(chuàng)新為支點(diǎn)，在量子精密測量、量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、量子計(jì)算驗(yàn)證等關(guān)鍵領(lǐng)域提供核心數(shù)據(jù)支撐，助力構(gòu)建自主可控的量子科技產(chǎn)業(yè)生態(tài)。