本發(fā)明屬于量子信息與量子光學，具體涉及一種可拓展全光單光子探測反饋操作復用單光子源，適用于光量子精密測量應用。

背景技術：

1、確定性單光子源即以周期性時間間隔確定性地發(fā)射且僅發(fā)射一個光子的光源，可以用于制備大規(guī)模的光量子糾纏態(tài)、實現(xiàn)大規(guī)模的波色采樣等，在光學量子計算、遠距離量子通信和光量子精密測量等領域中扮演著至關重要的角色。

2、基于單原子或者類原子系統(tǒng)，如單分子、金剛石色心、半導體量子點等體系，可以通過將等效的二能級系統(tǒng)從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，經(jīng)過自發(fā)輻射產(chǎn)生單光子。自組裝半導體量子點目前在這一類系統(tǒng)中實現(xiàn)了綜合性能最高的單光子源。但這類系統(tǒng)通常需要復雜的樣品制備和低振動低溫光學系統(tǒng)，需要集成到高匹配度的微腔耦合從而提高單光子的收集效率。單光子制備效率還受限于量子效率、收集耦合效率等。

3、基于多個概率性產(chǎn)生的關聯(lián)光子對光源進行復用是一種漸近實現(xiàn)確定性單光子源的技術途徑。常見的關聯(lián)光子對光源產(chǎn)生方法包括自發(fā)參量下轉換過程和自發(fā)四波混頻過程。關聯(lián)光子對光源在每次激光進行泵浦下，存在一定的概率產(chǎn)生一對光子，通過探測其中的一個模式，能夠預報另外一個模式是否存在光子，從而可以預報式制備單個光子。美國kaneda等人通過時間自由度復用40個自發(fā)參量下轉換光源，實現(xiàn)了大約9.7倍的效率增強，復用單光子源的效率達到66.7%，但由于采用高的泵浦功率，他們得到的復用單光子源的純度，用二階關聯(lián)函數(shù)表示僅為。因此未來為了實現(xiàn)綜合性能更加優(yōu)越，即同時滿足高效率和高純度的復用單光子源，需要盡可能提高復用單光子源效率的同時，還需要保證單個關聯(lián)光子對光源產(chǎn)生效率足夠的小，最合理的辦法是提高復用光源的數(shù)量 n。未來復用單光子源的一個關鍵技術挑戰(zhàn)在于同時實現(xiàn)多通道的高效率、高速的單光子探測反饋。

4、目前，超導納米線單光子探測器在探測效率、暗計數(shù)率、時間抖動等參數(shù)方面性能最佳，并且可工作在近紅外波段，這種探測器能夠區(qū)分沒有光子和最少有一個光子兩種情況，近年來已成為量子光學中不可或缺的工具。超導單光子探測器操作需要在低溫環(huán)境中進行。在大規(guī)模復用單光子源以及光量子信息實驗中，復用光源數(shù)量n可能達到100，甚至1000個以上，因此需要同時操作多個通道的單光子探測器，例如在光量子計算優(yōu)越性驗證實驗中需要同時操作大于100個超導單光子探測器。然而，傳統(tǒng)低溫設備的冷卻性能限制了單個系統(tǒng)中能夠獨立讀取的超導納米線單光子探測芯片的數(shù)量，多通道超導納米線單光子探測器的傳輸檢測信號的射頻傳輸線將引入極大的熱負載。熱輻射將引入單光子探測器的暗計數(shù)形成錯誤的觸發(fā)預報信號；并且，電信號傳輸速度慢，需要信號光子延時更長的時間等待反饋操作信號，這將引入額外的光子損耗。單光子源效率是光學量子計算、量子精密測量等領域最重要的指標之一，設計一種高速探測反饋操作復用單光子源制備方法是當前光量子技術相關領域亟待解決的重要問題。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決單光子源效率低、拓展性差的問題，本發(fā)明的目的是提供一種全光單光子探測反饋操作復用單光子源，利用全光讀出單光子探測器進行預報探測，采用空間和時間復用結合的方案，能夠實現(xiàn)多通道概率性關聯(lián)光子源的并行探測和復用操作，解決概率性光源效率低、探測反饋速度慢的問題，并具有可拓展性。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、本發(fā)明公開的全光單光子探測反饋操作復用單光子源，包括脈沖激光泵浦源、關聯(lián)光子對光源陣列、全光讀出單光子探測器、光信號采集器、空間復用光路、時間復用光路和單光子輸出光路。脈沖激光泵浦源發(fā)出的激光激發(fā)關聯(lián)光子對光源陣列產(chǎn)生關聯(lián)的閑頻光陣列和信號光陣列，光陣列耦合后經(jīng)由單模光纖分別傳輸給全光讀出單光子探測器和空間復用光路。全光讀出單光子探測器探測閑頻光陣列單光子信號并反饋經(jīng)典光信號，光信號采集器采集甄別經(jīng)典光信號并轉化為電信號，并同步傳輸?shù)娇臻g復用光路和時間復用光路，用于控制光路中的光開關。當關聯(lián)光子對光源的閑頻光探測器有響應時，空間復用光路中的對應的光開關進行偏振翻轉或保持，使對應空間路徑模式中的單光子能通過空間復用光路到達輸出路徑并傳輸?shù)綍r間復用光路。時間復用光路中的光開關通過偏振翻轉或保持控制使不同時間模式中的單光子經(jīng)過不同延時光路后合并到同一個時間模式。

4、脈沖激光泵浦源，用于產(chǎn)生高重頻的脈沖激光。

5、關聯(lián)光子對光源陣列，用于多個關聯(lián)光子對光源在所述脈沖激光泵浦源的激發(fā)下概率性產(chǎn)生關聯(lián)的閑頻光陣列和信號光陣列，經(jīng)過相應的光學耦合，每一路都收集到單模光纖。

6、全光讀出單光子探測器，用于探測和反饋閑頻光陣列信號。

7、光信號采集器，用于采集和甄別單光子探測器輸出的光學信號，并產(chǎn)生相應的多通道調制電壓信號。

8、空間復用光路，用于將多路信號光耦合到同一條光學路徑。

9、時間復用光路，用于將多個時間戳的光學信號經(jīng)過延時操作合成到一個時間戳。

10、單光子輸出光路，用于測量或輸出最終單光子信號，包括極化分束測量器、收集耦合器。

11、進一步的，所述全光讀出單光子探測器包括超導納米線探測芯片陣列、低溫光電二極管、低溫放大器陣列和低溫光學調制陣列。

12、所述超導納米線探測芯片陣列用于接收關聯(lián)光子對光源陣列通過單模光纖和耦合器接入到超導工作溫區(qū)的信號并進行探測。

13、所述低溫光電二極管用于接收脈沖激光泵浦源經(jīng)過單模光纖導入的脈沖激光信號，產(chǎn)生偏置電流。

14、所述低溫放大器陣列工作在與超導溫區(qū)不同的溫區(qū)低溫盤，用于放大超導納米線探測芯片陣列輸出的光電流信號。

15、所述低溫光電二極管和超導納米線探測芯片陣列產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)低溫放大器陣列放大后傳輸?shù)降蜏毓鈱W調制陣列，電壓在波導中產(chǎn)生電場，通過電光效應改變波導干涉儀折射率，從而改變波導干涉儀輸出光信號的端口，輸出反饋光學信號。

16、進一步的，所述空間復用光路從關聯(lián)光子對光源發(fā)出的信號光依次經(jīng)過極化分束器、光學透鏡、電光調制器、反射鏡，最后被光束合束器合為同一個空間模式。

17、進一步的，所述時間復用光路包括不等臂干涉儀和電光調制器，所述不等臂干涉儀包括延時光學環(huán)、電光調制器、反射鏡、光束位移合束器。所述電光調制器通過控制光子的偏振使光子確定性地通過不同延時的光路，從而使不同時間模式的光信號合并到同一個時間模式。

18、進一步的，所述脈沖激光泵浦源，用于產(chǎn)生泵浦激光脈沖和低溫二極管輸入光信號。

19、進一步的，所述關聯(lián)光子對光源陣列包括關聯(lián)光子對光源、信號光陣列和閑頻光陣列，所述關聯(lián)光子對光源用于概率性產(chǎn)生高預報效率的光子對。

20、進一步的，所述光信號采集器具有采集和反饋功能，用于采集和甄別單光子探測器輸出的光學信號，并產(chǎn)生相應的多通道調制電壓信號。

21、進一步的，所述單光子輸出光路包括電光調制器、極化分束測量器、收集耦合器，能夠保證輸出的光子為單一偏振，并收集到單模光纖。

22、有益效果

23、1、本發(fā)明公開的全光單光子探測反饋操作復用單光子源，通過采用超導納米線單光子探測器進行閑頻光信號探測相比之前采用的雪崩光電二極管單光子探測器，具有高效率、低暗計數(shù)的特點，并且可工作波段能夠拓展到光學通信波段、中紅外波段，適用產(chǎn)生通信波段復用單光子源。

24、2、本發(fā)明公開的全光單光子探測反饋操作復用單光子源，采用超導納米線單光子探測器光學讀取方法由于不需要在低溫和室溫之間連接射頻信號傳輸線，能夠顯著降低單光子探測器熱負載，提高單個制冷機可拓展的超導納米線探測芯片數(shù)目，解決制冷機的成本和復雜度難題。

25、3、本發(fā)明公開的全光單光子探測反饋操作復用單光子源，采用光學信號傳輸相比射頻信號傳輸速度更快，在需要高速高效主動反饋操縱的復用單光子源制備中具備速度優(yōu)勢。

26、4、本發(fā)明公開的全光單光子探測反饋操作復用單光子源，采用空間復用和時間復用相結合的方案，能夠提升復用的關聯(lián)光子對光源數(shù)目，實現(xiàn)多通道概率性關聯(lián)光子源的并行探測和復用操作，顯著提高復用單光子源的制備效率。

27、5、本發(fā)明公開的全光單光子探測反饋操作復用單光子源，在實現(xiàn)上述有益效果基礎上，能夠實現(xiàn)使用全光讀取超導納米線探測器實現(xiàn)對多個關聯(lián)光子對進行預報探測和反饋信號輸出，并實現(xiàn)復用單光子源制備，能夠應用于如光學量子計算、量子精密測量等領域。