[实用新型]一种多光子符合计数装置

说明书

本实用新型公开了一种多光子符合计数装置，该装置采用多相时钟TDC和数字窗口比较器并行地对各个通道的脉冲进行时间标记和事件符合，并对符合结果进行实时的筛选，以减轻后继数据传输、存储和分析的压力，同时也设计了通道扫描和对部分符合结果进行实时统计分析的功能。这些设计大部分都可以在一片FPGA内部实现，支持时间和通道的二维符合，并且可以支持的通道数达到上百个，兼容性和可扩展性好。

技术领域

本实用新型涉及光子符合计数领域，尤其涉及一种多光子符合计数装置。

背景技术

多光子纠缠是一种奇特的量子现象，其在研究量子非定域性，量子纠错和量子模拟的研究中都是不可缺少的资源。光子数越多，单个光子的自由度越大，多光子系统处理信息的能力就越强，在最新的实验进展中，十个光子的纠缠得以实现。另一方面，光子也是实现量子计算机的一种很有潜力的媒介，光量子计算机也成为一个很热门的研究方向，尤其是以玻色取样为目的的光量子计算机的计算能力已经超过了早期经典计算机，涉及的光子数达到了5个。在多光子纠缠和光量子计算等光量子信息研究中，都需要对来自多个探测通道的光子信号进行光子统计分析，常见的就是符合计数。

在多光子纠缠实验中，将纠缠这种量子特性转化为我们经验世界能观测的量需要对光子数进行计数统计，由于纠缠是一种多体的过程，所以计数是符合计数。符合计数器的功能是对两个或两个以上信号之间的符合进行判断和计数。多光子纠缠和光量子计算领域涉及的符合计数技术要求信号输入通道非常多，符合的种类总数非常大并且要对所有的符合情况都要进行计数，与传统的有非常大的不同。近年来随着光量子信息研究的快速进步，也出现了许多新的多光子符合计数技术，以解决各种新问题。

2005年，Gaertner等人提出地址映射的方案，其结构框图如图1(a)所示，系统由符合探测单元，先入先出缓存器(FIFO)，微控制器(Micro controller)和片上random accessmemory(RAM)组成。符合探测单元详细结构图如图1(b)所示，其工作原理是将输入信号取逻辑或后的信号作为取样触发，取样得到的码型作为计数器的地址缓存至FIFO。

2015年，BYUNG KWON PARK等人在FPGA上用与门也实现了八体符合的计数器。其整体方案结构框图如图2(a)所示，系统集成在FPGA上，其中包含延时模块(Internal Delay)，脉冲整型模块(Pulse Reshaping)，符合信号发生器(Coincidence Signal Generator)，计数器(Counter)和处理器(Processor)，FPGA通过串口转USB与PC通信。符合信号发生器的结构如图2(b)所示，其原理是通过多路器选通多输入与门来决定符合配置，每个多输入与门对应一种符合种类。

随着实验技术的快速发展，纠缠光子的个数、光子探测通道数和光源亮度都会不断增加。八光子纠缠的实验通道数已经达到16个，符合种类多达2¹⁶-1，剔除一些无意义的符合，符合种类至少也是随光子数增长而呈几何增长的；同时，纠缠光源的亮度(单位时间内纠缠光子的个数)也达到单通道计数率兆赫兹，系统事件率十兆赫兹的水平。2016年，专利CN201610961414.X公开了一种基于可编程逻辑器件的多光子符合计数器，基于DDR的大容量，可以支持对多符合种类同时进行计数，且采用分流机制解决了DDR读写速度不够的问题，提高了符合系统的事件率。

然而，技术进步是非常快的，目前已经正在开展光子数达到十几个、光子探测通道数上百个的光量子实验。并且现在为了充分利用光子的量子特性，有一种新的实验方案需要实现分布于不同通道上多个时刻到达的光子之间的符合计数，这不仅需要像传统场景下在不同通道之间进行符合，还要求在每个通道上定义不同的时间窗，在这些时间窗之间也需要进行符合，也就是说符合发生在时间和空间两个维度上，我们称之为二维符合，目前还没有哪种多光子符合技术能很好地解决这一难题。