[发明专利]探测器层析仪及量子层析方法

说明书

本申请提供一种探测器层析设备及方法，所述方法包括以下步骤：产生一束相干光；提供一强度调制模块以将所述相干光调节到单光子量级的强度传输给一光子探测器；令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种探测器层析仪及量子层析方法。

背景技术

精密的光子探测器对于科学、国防、工业生产等各个领域都具有重要意义，而低成本快速的探测器层析方案对于量子光学和量子信息实验非常重要。具体而言，在量子光学的光学干涉实验，量子保密通信，连续变量的量子计算以及量子测量、量子成像中，光子探测器都起到了重要的作用。比如，在量子随机数发生器中，对探测器的准确了解有助于我们产生真正可靠的随机数。在量子超分辨成像中，成像结果的好坏直接依赖于测量的精度。

光子探测器的性质由其测量算子来精确刻画。对于一般的探测器，要对其进行层析(Tomography)，我们需要构建其测量算符，即正值算符测量算子(Positive-Operator-Valued Measurement，简称POVM)。对于光子探测器来说，由于其对光模的位相不敏感，我们可以将其测量算子看作是对于不同光子数成分相应的叠加。

随着量子光学和量子信息实验水平的不断发展，人们迫切需要一种低成本、快速的探测器层析方法。现有的一种光子探测器层析方法分析探测器对于不同光子数的相应时，采取的是直接输入相应的光子数态，并对探测器的响应情况进行技术来判断的。其他的光子探测器层析方案包括入射特定量子态，通过极大似然的方法推断探测器的响应参数(DOI:10.1038/NPHYS1133)。

探测器的层析方案已经有了很多研究，然而低成本高效率的探测器层析仪没有有效地实现。另外，由于实验上光子数态非常难制备，并且制备出来的精度也很差，因此输入光子数态进行光子探测器层析的方案成本高，并且效果并不好。

而在已经公开的现有技术中，已有的通过极大似然的方案推断探测器响应情况可以改进对于探测器层析的效率和效果。然而，之前的工作中对于输入态的选取没有进行优化，导致其层析的效果仍然不够理想。此外，实验环境中噪音以及统计涨落对于探测器层析的结果有很大的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种探测器层析仪及量子层析方法，用于解决现有技术中高成本低效率的探测器层析问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种探测器层析设备，用于对光子探测器进行层析，包括相干光源，强度调制模块以及数据分析模块；其中，所述相干光源用于产生一束相干光；所述强度调制模块与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；以及所述数据分析模块连接所述光子探测器及所述强度调制模块，用于接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述相干光源为激光器。在一实施例中，所述激光器为强光连续波模式激光器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述强度调制模块用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。在一实施例中，所述强度调制模块为光强度调制器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述探测器层析设备还包括控制模块，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括控制单元，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。