光子数分辨 (PNR)

图1. 超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single photon detectors, SNSPD）的动力学示意图。(a)单光子吸收、“热点”形成以及恢复初始状态；(b)双光子吸收、“热点”形成以及恢复初始状态；(c) 单光子与双光子吸收情况下信号随时间的演变。
图1. 超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single photon detectors, SNSPD）的动力学示意图。(a)单光子吸收、“热点”形成以及恢复初始状态；(b)双光子吸收、“热点”形成以及恢复初始状态；(c) 单光子与双光子吸收情况下信号随时间的演变。

引言

什么是光子数分辨？

光子数分辨（PNR）技术能够精确确定探测事件中光子的数量。该技术利用光子数分辨单光子探测器和复杂的信号分析方法，在量子加密 1 和量子通信等领域 2 发挥重要作用。

单光子探测器有多种类型，如光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）、转变边缘传感器（TES）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。在这些单光子探测器中，SNSPD因其对电信波长的高灵敏度、低暗计数以及皮秒级时间分辨率，已成为量子研究领域的重要工具，推动了量子技术的发展 3 4.

尽管单光子探测器技术在不断发展中，但从同一脉冲中检测和识别包含的光子数仍然是一项具有挑战性的任务。通常，采用将多个单光子探测器并联的方式，在空间上区分每个事件中收集到的不同数量的光子 5。这种伪光子数分辨（pseudo-PNR）的方案往往需要较为复杂的硬件而成本高昂，并且存在两个光子同时被同一像素吸收的非零概率，从而导致对光子数量的错误判断。

对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）记录信号的分析有助于解决这个问题。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)采集的信号的形状取决于吸收的光子数量，如图1所示。随着光子数的增加，信号的上升沿斜率也随之增加 6 7。通过分析探测器与激光源二者信号的时域关联性，比较探测器信号上升沿斜率的差异，可以确定吸收光子的数量。此外，探测器信号的下降沿有助于揭示信号的来源以及实验中的固有波动 6 8.

同时测量不同信号及其相应的上升沿和下降沿的可能性，是光子数分辨测量中的颠覆性突破，而Swabian Instruments - 施瓦本仪器开发生产的 Time Tagger 系列产品正是实现这一突破的关键。

与传统的时间数字转换设备通常只能检测输入信号的一个边沿不同，Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger系列产品可以同时获取上升沿和下降沿，从而捕获各种信号波形。捕获信号的双边沿不仅在光子数分辨测量中至关重要，而且在探测器脉冲（例如PMT）幅度和宽度时而需要使用恒定分数鉴别器(constant fraction discriminator, CFD)的实验中也同样关键。

实验需求

用于PNR实验的装置

图2. 用于光子数分辨实验的典型装置示意图。该装置包括光源、可变光衰减器（VOA）、偏振控制器（Pol. C）、超导纳米线单光子探测器(SNSPDs）以及Swabian Instruments - 施瓦本仪器开发的先进时间数字转换器Time Tagger X。Time Tagger收集所有设备的信号时间流并将其传输至计算机端，交由Swabian Instruments - 施瓦本仪器强大的的软件架构进行信号分析。

图2. 用于光子数分辨实验的典型装置示意图。该装置包括光源、可变光衰减器（VOA）、偏振控制器（Pol. C）、超导纳米线单光子探测器(SNSPDs）以及Swabian Instruments - 施瓦本仪器开发的先进时间数字转换器Time Tagger X。Time Tagger收集所有设备的信号时间流并将其传输至计算机端，交由Swabian Instruments - 施瓦本仪器强大的的软件架构进行信号分析。

光子数分辨实验需要获取光子事件精确可靠的时间信息。时间数字转换器必须能够快速运行并具有足够的时间分辨率，以便区分光子数量。同时，电源和探测器必须稳定且低噪。

图2展示了光子数分辨实验的装置示意图。该装置包括光子源、光调制器、超导纳米线单光子探测器和时间数字转换器。为便于演示，采用激光作为光源，发射的光子经调制后到达探测器被采集。入射到探测器上的光子会形成一个 “热点”，导致探测器失去其超导性并产生一个信号，这表示探测事件（即一次“点击”）。Time Tagger X可以精确同步地确定“点击”的到达时间以及光源出射光子信号的到达时间。

用于PNR实验的时间数字转换器的关键硬件特性：

  • 时间抖动 时间数字转换器的时间抖动越低，测量的分辨率和精度就越高。考虑到来自探测器的时间抖动通常约为4 ps（均方根时间抖动），时间数字转换器的时间抖动应该更小。
  • 死时间： 足够小的死时间对于防止数据丢失至关重要，尤其是在进行高计数率的测量时。目前，SNSPD 的最小死时间约为10ns。Swabian Instruments - 施瓦本仪器开发的Time Tagger系列产品的死时间远远优于市面同类产品，可以有效避免实验中的数据丢失。
  • 数据传输速率： 更高的数据传输率能够在更短的时间窗口内采集更多的光子事件，从而提高测量结果的统计显著性。数据传输率不足会导致数据向计算机传输时发生溢出和丢失，这需要采用可靠有效的数据过滤方法在数据传输到计算机前控制数据采集。有效的数据过滤方法将利用每个输入通道（包括激光器、探测器、控制器、信号触发器等）的计数率总和来确定必须传输事件。

解决方案

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

性能优异、拓展灵活的硬件平台：

Time Tagger是进行光子数分辨测量的关键组件，能够通过软件升级和通道拓展更好地满足用户的科研需求。Time Tagger X作为该系列的旗舰机型，可以提供如下满足光子数分辨测量的优异参数：

  • 时间抖动低至1.5 ps；
  • 死时间低至1.5 ns；
  • 数据传输率高达90M Tags/s，Time Tagger X 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。

使用Time Tagger 系列产品探索单光子计数的无限可能：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器开发生产的 Time Tagger系列产品为时间相关单光子计数设立了全新的标准。独特的数据流架构和直观的软件使其脱颖而出，帮助研究人员显著提高工作效率，加快研究进度。下图给出了使用Time Tagger X实现精确光子数分辨（PNR）测量的实验结果 6。

功能多样、直观易用的软件架构：

凭借 Time Tagger, 系列产品的卓越性能，强大的软件引擎使用户能够仅通过几行代码 (Python, Matlab, LabVIEW, C#/C++, Mathematica, NET等) 或在图形用户界面TimeTaggerLab中进行数次点击，即可实时同时进行多项测试，以全新方式运行、可视化分析用户的实验。

实验结果

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger在精确PNR实验的证明结果

图3. (A)脉冲激光触发信号与探测事件产生电脉冲的上升沿、下降沿之间时间差的二维直方图。该直方图呈现可清晰区分的模式，对应于不同光子数目；(B)直方图在上升沿的投影（蓝色）及最优模式区分投影（红色，使用图3(A)中的模式分离边界），结合下降沿可显著提升光子数模式的区分度。图改编自文献 [^6]。

图3. (A)脉冲激光触发信号与探测事件产生电脉冲的上升沿、下降沿之间时间差的二维直方图。该直方图呈现可清晰区分的模式，对应于不同光子数目；(B)直方图在上升沿的投影（蓝色）及最优模式区分投影（红色，使用图3(A)中的模式分离边界），结合下降沿可显著提升光子数模式的区分度。图改编自文献 6。

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger是获取光子到达时间精准信息的强大工具，其应用是精准PNR测量的关键因素。在 G. Sauer 等人近期的研究 6 中, a Time Tagger X 被用于读取SNSPDs的信号。

基于SNSPDs的PNR实验方法已较为成熟，但传统PNR测量需并行使用多个SNSPD，这种伪PNR方法在成本效益与精度方面存在局限。

如图3所示，借助Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger X，如今仅用单个 SNSPD 即可实现光子数的精准测量，最多可清晰区分5光子对应的光子模式，且该方法可对测量结果进行精准校准。

用户案例

应用笔记

Remote Synchronization of Time Taggers with SubNanosecond Precision via White Rabbit

Remote_Synchronization_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.

Read the full interview

Dr. Ted S. Santana, NPL

My experience with the Swabian Time Tagger has been excellent. It is a truly plug-and-play device with intuitive and user-friendly software.

Read the full interview
Sapienza Universita di Roma University of Bristol Massachusetts Institute of Technology

News

photon-number-resolving-pnr.png

Simplifying Photon Detection and Analysis with Time Taggers

Photon detection distinguishability is increasing interest in advancements in photonics and quantum technology. At Swabian Instruments, we are proud to lead this innovation with our Time Taggers, as detailed in our latest abstract presented at the Optica Latin America Optics and Photonics Conference, which took place in Puerto Vallarta, Mexico, in November 2024.

查看更多内容
PhoQS_PaQS_Martin_Ratz-22_2024-10-First-German_Photonics_Quantum_Computer.jpg

Swabian Instruments参与构建德国首台光量子计算机

德国首台量子计算机日前在帕德博恩大学 (Universität Paderborn) 亮相！这台名为帕德博恩量子采样机（PaQS）的原型机是一台完全可编程的光量子计算机，标志着欧洲量子领域的一项重要成就。

查看更多内容

参考文献

  1. A. Gaidash, et al. „Revealing beam-splitting attack in a quantum cryptography system with a photon-number resolving detector.", JOSA B, 33:1451–5 (2016) ↩︎

  2. F.E. Becerra, et al., „Photon number resolution enables quantum receiver for realistic coherent optical communications.", Nat Photonics, 9:48 (2015) ↩︎

  3. K. Nicolich, et al., “Universal Model for the Turn-on Dynamics of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors.”, Phys. Rev. Applied, 12, 034020 (2019) ↩︎

  4. C.R. Fitzpatrick, et al., „A superconducting nanowire single-photon detector system for single-photon source characterization.", Proceedings of SPIE, 7681, 768105 (2010) ↩︎

  5. F. Marsili, et al., “Superconducting parallel nanowire detector with photon number resolving functionality.”, Journal of Modern Optics, 56:2-3, 334-344, DOI: 10.1080/09500340802220729(2009) ↩︎

  6. G. Sauer, et al., “Resolving Photon Numbers Using Ultra-High-Resolution Timing of a Single Low-Jitter Superconducting Nanowire Detector.”, arXiv:2310.12472 [quant-ph] (2023) ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

  7. Mamoru Endo, et al., “Quantum detector tomography of a superconducting nanostrip photon-number-resolving detector.”, Opt. Express 29, 11728-11738 (2021) ↩︎

  8. T. Schapeler. Et al., “How well can superconducting nanowire single-photon detectors resolve photon number?”, arXiv:2310.12471 [quant-ph] (2023) ↩︎

Cookie Policy
We use third party service providers, like Freshworks Inc ("Freshworks") to enable interaction with you on our website and/or our product. As a data processor acting on our behalf, Freshworks automatically receives and records certain information of yours like device model, IP address, the type of browser being used and usage pattern through cookies and browser settings. Freshworks performs analytics on such data on our behalf which helps us improve our service to you. You can read about the cookies Freshworks' sets in their cookie policy here.