线性光学量子信息 (LOQI)

什么是线性光学量子信息？

线性光学量子信息（LOQI）是量子信息科学的一个分支，其通过在光子的量子态中编码量子比特，以光子作为量子信息载体。研究人员借助分束器、波片等线性光学元件操控这些光子，以执行对量子计算、安全通信及高精度计量至关重要的量子操作。需注意的是，光子在长距离传输时的低退相干程度使其特别适用于量子通信，也让 LOQI 区别于依赖原子或超导电路的其它量子技术。该优势使 LOQI 成为构建可扩展实用化量子网络与信息系统的核心部分。

针对安全高效信息传输的需求，LOQI相比易受窃听攻击的经典系统具有显著优势。利用LOQI的特性并基于量子力学原理，量子密钥分发 (QKD) 等量子通信协议确保了数据传输的安全性。此外，LOQI为量子计算提供了光子基平台，可实现适用于大型量子网络的可扩展集成化解决方案，提升光子量子处理的应用潜力。

LOQI实验流程通常包括：产生光子，并将其导入光学装置以操控其量子态。这类装置的核心组件包括单光子探测器（如单光子雪崩二极管SPADs、超导纳米线单光子探测器SNSPDs），以及用于追踪光子到达时间并测量相关性的高精度时序电子设备（如Swabian Instruments - 施瓦本仪器 Time Tagger）。Time Tagger皮秒级的计时精度对LOQI至关重要，是研究量子干涉和纠缠特性的关键；Time Tagger的另一项核心能力是光子数分辨 (PNR), 亦在 LOQI 实验中发挥关键作用。其中，PNR可通过基于计时的区分方法或SNSPDs固有的多光子敏感性实现，能帮助研究人员探测并表征多光子事件。该能力可提升量子测量的保真度，因此对研究量子干涉、纠缠及态重构至关重要。

实验需求

LOQI所需时序电子设备

图1展示了LOQI实验的典型装置，包含多个核心组件与流程，均用于以保留并测量光子量子态的方式产生、操控和探测光子。该装置的光子源通常为低功率单光子激光器，或通过自发参量下转换（SPDC）、四波混频（FWM）等过程产生纠缠光子对的非线性晶体。光子经分束器、偏振器、波片、相移器件等多种线性光学元件传输，对其偏振、相位或基于路径的量子态进行精准操控。之后，装置中通常会集成Mach-Zehnder（MZ）干涉仪或Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉仪等干涉仪，通过拆分与重组光子路径观测量子干涉效应，进而通过干涉图样获取量子态信息。光路末端配备单光子雪崩二极管（SPADs）、超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）等单光子探测器，这些探测器具有高量子效率、低暗计数和高计时分辨率，可用于探测单光子到达信号。

光子到达时间需以皮秒级精度记录。这些计时数据对分析时间关联事件（如纠缠光子对或光子符合事件）至关重要，是验证量子特性的核心依据。Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger等先进时间数字转换器（time-to-digital converters, TDCs），可实现对多个探测器的光子到达时间进行精准同步测量。

用于LOQI实验的关键硬件特性：

计时准确度与精度： 时序电子设备的时间抖动越低，测量的分辨率与精度越高。区分间隔极近的光子事件通常需要亚纳秒级甚至皮秒级的时间分辨率。
光子数分辨： LOQI 实验日益依赖（伪）PNR技术区分单光子态与多光子态。需通过多独立通道的皮秒级计时分辨率，发挥SNSPDs的固有PNR能力，或基于精准计时数据实现伪分辨技术。
高光子计数率： 减小死时间对避免数据丢失至关重要，尤其在使用SNSPDs等光子计数率高、死时间极低（可低至10 ns）的探测器时。
灵活的多通道测量配置： LOQI实验需集成多个探测器以识别多符合事件。核心特性之一是可通过添加更多探测器轻松扩展配置，从而支持更复杂的LOQI 实验设计。

解决方案

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger提供精确测量LOQI的先进方案

市场领先的准确度与速度：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的 Time Tagger 拥有行业领先的计时准确度，为光子事件计时及实验的准确性与可靠性提供核心保障：

时间抖动低至1.3 ps；
死时间低至1.5 ns；
数据传输速率高达90M Tags/s，Swabian Instruments - 施瓦本仪器的数据过滤功能通过在硬件层面移除实验中不必要的时间标签，克服了高计数实验中的溢出问题。

更高可扩展性与无与伦比的灵活性：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger 可同步多达8台设备，每台设备含20个通道，最多可处理160个单光子探测器的信号。其软件引擎支持每个通道独立灵活调谐延迟，确保同步信号与所有探测事件均可进行精准时间校准，满足符合测量需求。

多台Time Tagger的实时同步与数据合并：

先进的软件引擎借助多种驯服振荡器，实现远程位置间的精准同步，同时具备实时数据合并与处理能力。该功能可将分布式光子探测系统的同步数据整合为单一流，计时精度达皮秒级，是量子密码学、长距离纠缠分发等高端应用的核心支撑。

全等效独立通道：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger具备全独立、全等效通道设计，支持更灵活的实验配置。通道独立性可摆脱启动/停止通道的限制，提升实验灵活性，助力搭建更复杂的实验装置。

完备的文档与专属符合测量教程：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器提供详尽的技术文档，含专属符合测量教程。分步指南、示例程序及应用报告简化了设备配置与集成流程，确保高端实验顺畅开展，缩短装置搭建时间。

多功能直观软件引擎：

强大的软件引擎支持灵活开展实验：既可通过 (Python, Matlab, LabVIEW, C#/C++, Mathematica, .NET…) 等偏好编程语言编写数行代码，也可通过图形化界面（GUI）软件 TimeTaggerLab 点击操作，即可实时并行执行多项测量。让实验的运行、可视化与分析变得前所未有的便捷！

用户案例

应用笔记

Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) with Single Quantum EOS SNSPD System

TCSPC_Swabian_Instruments.pdf

Photon Number Resolution (PNR) with Room Temperature Detector

Photon_number_resolution_with_room_temperature_detector.pdf

Testimonials

Customer success stories

Brandon Ginkemeyer, Harvard

I really like the Swabian Instrument’s usability and reliability. A senior student in my neighboring group said that the Time Tagger is his favorite instrument.

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