随着量子光学的进步，量子通信、量子计算与量子传感等领域正在逐年发展壮大。这些领域对量子光源、光源操控和集成光子学器件的需求也越来越多，要求越来越高。而时间相关单光子探测或符合反符合单光子探测是表征这些器件或系统必不可少的手段。本篇介绍一些典型的实验和器件选择：

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量子点单光子发射

图1.用于测量光子符合实验的全光纤Hanbury-Brown&Twiss干涉测量装置

从左至右：激光器（脉冲或连续）耦合到单模光纤。光纤到达光纤共焦显微镜的激发臂，并在4K下激发一个孤立的量子点。微光致发光被引导到显微镜的收集臂并与另一个单模光纤耦合。工作在1300nm的环行器将光重新分配到安装在金属条上的光纤布拉格光栅，通过改变曲率而调节波长。来自光纤布拉格光栅的反射光到达环行器并分配到50/50光纤耦合器的入口。每个耦合器输出端口连接到InGaAs盖革模式雪崩光电二极管（start为ID230 ID Quantique，stop为ID220 ID Quantique）。两个探测器的电子输出都插入到相关器，其中停止通道包括一个更长的路径（延迟表示为带有单回路的黑色电缆）。最后，在计算机上显示光子符合图。

在同一图中显示变质量子点样品，棕色代表砷化镓层，蓝色代表0.15Ga0.85As层。InAs润湿层和量子点用灰色和白色表示。

图2.基本光谱表征

（a）单变质InAs-SAQD在稳态条件下用激光共振激发至润湿层态（940nm=1.319ev），在4k下发射≈1295nm（≈0.9574ev）的能量相关微光致发光光谱；（插图）基本跃迁中的积分强度与激发功率的双对数图，中性激子（X0）、中性双激子（XX0）和单正电荷双激子（XX+1）。

（b）图a中最强烈跃迁的微光致发光时间分辨，记录于4 K下的脉冲激光条件下，波长为780 nm。

图3.光子自相关实验。

（a）在4 K下连续激发到润湿层态（940 nm=1.319 eV），中性激子（X0）光跃迁的光子自相关符合图。红线对应于原文中所述的表达式2的最佳拟合，其单光子发射表征为g²（0）=0.3±0.13。蓝线对应相同情况无高斯卷积的拟合结果。

（b）同一X0光跃迁在780nm脉冲激发下的光子自相关符合图。底部面板中的红线表示实验符合直方图的最佳洛伦兹拟合。上图是按照原文中描述的过程计算的归一化符合计数直方图。

参考文献：All-Optical Fiber Hanbury Brown & Twiss Interferometer to study 1300 nm single photon emission of a metamorphic InAs Quantum Dot. Scientific Reports | 6:27214 | DOI: 10.1038/srep27214

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纠缠光子源或光子对源表征

图4. Si3N4环形微谐振器的高速光子对和时序时间纠缠。

左侧是泵浦光制备，然后注入Si3N4 MRR。在右边，我们有表征光源特性的装置和一个折叠的迈克尔逊干涉仪用于分析纠缠时序。

为了表征光子对的产生，使用右下角所示的分析设置。通过获取信号光和闲频光之间的符合直方图和观察零延迟的符合峰，证明了相关光子对的存在。

为了描述纠缠特性，需要通过右上角的非平衡干涉仪，其路径长度差与激光器的周期相对应。

EOM:电光调制器；EDFA:掺铒光纤放大器；PC:偏振控制器；PBS:光纤偏振分束器；BPF:带通滤波器；PM:功率计；FM:法拉第镜；探测器为两路SNSPD(ID281 ID Quantique)；符合计数器为ID800(ID Quantique)

图5.（a）符合计数率Rc和符合意外比CAR与泵浦光功率的函数

用实线给出了低功率（探测器饱和前）的预测CAR和符合的二次拟合。可以看到，对于低于5mW的泵浦功率，符合计数率与泵浦功率的平方成比例，从而确认生成的光子对来自SFWM过程。然而，随着泵浦功率的进一步增加，我们进入了SNSPD的计数饱和区，在该饱和区内，探测器没有时间恢复其全部探测效率，因此有效探测率开始下降。这解释了当泵浦功率大于5mW时，符合计数率与二次标度的偏差。这是由于相对较高的线性光子噪声而产生的，这种噪声产生了单光子，但没有符合计数。（b）自相关符合直方图，我们可以从中提取所产生光子的纯度。对于纯单光子，我们期望g⁽²⁾(0)接近2。把图中g⁽²⁾(0)的测量结果用洛伦兹拟合，我们计算出1.86±0.07的g⁽²⁾(0)（取零延迟符合与本底的比值）。光子纯度也可以用施密特数n来量化，它与自相关函数的关系是g⁽²⁾(0)=1+1/n。从而得到n=1.16±0.11。

图6.为了描述纠缠特性，需要使用图4右上角的非平衡干涉仪

在这个实验中，使用一个Q值略低于1.1×10⁵的装置，以确保所产生光子的相干时间τ_c≈ 180ps≪Δt。这使脉冲激光能够以750 MHz的时钟频率工作，即Δt=1.33 ns。

（a）平均符合直方图。可以看到在符合直方图中明确定义了三个时间特征峰，时间像差1.3ns。

（b）直方图中央峰符合计数与相位——压电陶瓷电压——的函数。对于每个相位给中心峰值的符合计数进行60s的积分，产生图中的干涉曲线。从拟合中，我们获得了98.29±0.20%的原始可见度和99.96±0.03%的净可见度。相反，在边峰的符合计数中没有观察到干涉。这些结果清楚地证明了高度纠缠。

参考文献：High-Rate Photon Pairs and Sequential Time-Bin Entanglement with Si3N4 Ring Microresonators. Optics Express Vol. 27, Issue 14, pp. 19309-19318 (2019). https://doi.org/10.1364/OE.27.019309

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量子光子学应用

图6.用XPM（cross-phase modulation）对单光子波包进行光谱整形

（A）方案的概念性说明。控制脉冲（以包络形式显示）在克尔介质中产生动态非线性相移，即通过XPM对单光子波包进行瞬时频率调制。

（B）测量了所用光子晶体光纤（PCF）的群延迟谱。实心曲线表示六阶多项式拟合。

（C） 实验装置示意图。从脉冲激光源获得了XPM的控制脉冲和产生光子对的激发脉冲。

PBS，偏振分束器；DM，二向色镜；LPF，长通滤波器；（T）BPF，（波长可调）带通滤波器；PL，偏振器；PC，光纤偏振控制器；NPBS，非极化50/50光纤分束器；SPCM，单光子计数模块（ID210 ID Quantique）；TDC，时间-数字转换器。H和V分别代表水平和垂直极化。在纠缠探测实验中，信号和闲频光子的路径被半波片（HWP）交换（图7，D到F）。

图7.控制光子之间的非经典干涉

（A到C）系统双光子频率分辨能力。（A）无（蓝色实线）和有（红色实线）XPM的信号光和闲频光（蓝色虚线）光子计数光谱。（B）双光子干涉，无（蓝色）和有（红色）XPM整形。（C）无（左）和有（右）XPM的双光子JSI（joint spectral intensity）。

（D到F）XPM应用后双光子频率纠缠的检测。（D）信号光（蓝色虚线）、无（蓝色实线）和有（红色实线）XPM的闲频光的光子计数光谱。（E）无（蓝色）和有（红色）XPM的双光子干涉条纹，每个轴都有不同的比较轴。XPM整形的凸点表明，JSA（joint spectral amplitude）中的纠缠分量获得了反对称波函数。（F）JSI无（左）和有（右）XPM。在（C）和（F）中，零失谐线由点虚线作为参考。

参考文献: Deterministic reshaping of single-photon spectra using cross-phase modulation. Science Advances 25 Mar 2016:Vol. 2, no. 3, e1501223. DOI: 10.1126/sciadv.1501223

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相关探测器和计数器主要指标：

ID1000系列时间控制器(替代ID900和ID800)

时间标签记录，延迟和模式生成。

►一体式时间标签记录单光子计数器和信号延迟发生器

►超过64个输入通道的多设备同步

►精确计时：1ps分辨率

►实时四阶符合过滤

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更多应用实例

Bright Single-Photon Source at 1.3 μm Based on InAs Bilayer Quantum Dot in Micropillar. Nanoscale Research Letters (2017)12:378. DOI 10.1186/s11671-017-2153-2

Multiplexed entangled photon source s for all fiber quantum networks. Phys. Rev. A 94, 043810 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevA.94.043810

High quality photonic entanglement out of a stand-alone silicon chip. npj Quantum Inf 6, 31 (2020). https://doi.org/10.1038/s41534-020-0263-7

Ultranarrow-Band Photon-Pair Source Compatible with Solid State Quantum Memoriesand Telecommunication Networks. Physical Review Letters, vol. 110, Issue 22, id. 220502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.220502

Efficient detection of an ultra-bright single-photon source using superconducting nanowire single-photon detectors. Optics Communications Volume 336, 1 February 2015, Pages 47-54. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2014.09.051

Thermally reconfigurable quantum photonic circuits at telecom wavelength by femtosecond laser micromachining. Light: Science & Applications (2015) 4, e354; doi:10.1038/lsa.2015.127

On-chip generation of photon-triplet states. Optics Express Vol. 24, Issue 3, pp. 2836-2849 (2016) •https://doi.org/10.1364/OE.24.002836