使用ID900时间相关计数器和ID281超导纳米线单光子探测器进行实时多重符合光谱测量

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客户需求

“在建立这个测量系统之前，我们开发了飞行时间光谱仪（TOF），它利用色散将光学频率映射至光子到达时间。通过这一过程，单个光子的波长可以在一定范围内被精确测量，而测量的精度仅受探测系统时间分辨率的限制。”

“我们以前使用SPAD探测器，具有40ps的时间抖动和12%的量子效率（以保持相对较低的暗计数率），结合time tagger 使用。由于这些探测器提供的量子效率较低，需要几十分钟来收集足够的数据 点。然后，数据存储在硬盘上，通过一个算法来提取数十亿个数据点中的几千个符合数据，使用电脑软件后处理为需要的光谱结果。”

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解决方案

“在测试了ID Quantique的ID281超导纳米线单光子探测器（SNSPD）系统之后，我们很快意识到她就是我们的理想女神。最重要的是，该系统具有相当高的探测效率，非常低的暗计数和低定时抖动。这使我们能够在单光子水平上进行高灵敏度测量，并有很高的计时精度。低温系统和集成的氦压缩机闭环运行。该系统还能够自动连续运行，每24小时只有不到1小时的短暂测量中断，大大提高了易用性。配套提供的ID900 time tagger也超出了预期。该仪器基于FPGA，可以在板上进行许多操作，据我们所知，目前没有其他公司提供此功能。”

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结果

“在使用IDQ的SNSPD和time tagger升级我们的设备之后，我们的设置得到了极大的改进。首先，高量子效率使SNSPD成为符合实验的理想选择。此外，学习使用新的time tagger打开了无数的可能性，甚至有很多从没考虑过的设置。FPGA板上符合能力使我们能够只考虑那些确实是符合的事件，将需要分析的数据量减少了几个数量级。因此，获得符合光谱现在是准实时的：在不到一秒钟的时间内收集到足够的数据。下图显示了获得的符合光谱强度（JSI）。虽然我们已经使用符合光谱方法好几年，但IDQ的设备让我们获得了最高的工作效率。”

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四重符合测量

做光子符合时，符合概率与探测器数量的平方成反比。四重符合探测比单个事件发生的可能性低16倍，因此需要高量子效率的探测器。我们做了一个纠缠交换实验，四个光子相互干涉，其中两个光子之间的纠缠被转移到之前没有何纠缠的光子。来自每个光源的其中一个光子（闲频光）被结合起来进行有光谱分辨的贝尔基测量，当检测到一个符合时，它将向两个外测光子（信号光）转移一个纠缠态。

这种测量需要做四重符合。早些时候，这是通过SPAD和两个TOF来实现的，以实现光谱分辨。ID281和ID900的升级使我们能够将采集时间缩短5倍。此外，使用ID900，我们能够连接四个TOF并计算出四重符合光谱，据我们所知，这是第一次进行这种实验演示。计数率相当低，约几个赫兹，没有高效率的SNSPD将使得这一实验无法进行。

上图中，右边是具有不同测量配置的实验装置。这里的每个探测器都是ID281系统的SNSPD。左边是一个独立的单光子之间经历了Hong-Ou-Mandel干涉的两重合图。它显示了用SNSPD和TOF获得的粗略光谱分辨率，其中一个光谱面元约为2 纳米宽。获益于实验中使用的设备，这些测量是同时实现的。

上面图是模拟和实验的信号光的JSI（符合光谱强度），这是由两个闲频光的符合宣布的。在这种配置时，ID900在高分辨率模式下工作。这个实验有很高的计数损失（超过99%），一晚上的测量得到了超过50000个计数的四重符合光谱。这在更低分辨率探测器上是不可能实现的，甚至在其它不能进行板上符合的time tagger上也是不可能实现的。我们升级了旧的算法，几乎消除了测量中的死时间。过去，旧的time tagger配合旧算法需要进行数据后处理来找出符合数据，一次采集的数据中只有50%用于符合计算，而ID900会在内置的FPGA板上自动滤出符合数据。

左边显示的是不同的JSI，这取决于闲频光宣布哪个频率窗口。它们展示的多个宣布的贝尔态都是同时获得的。右边，信号光被组合起来，由一个HOM干涉仪进行了延迟扫描。不同于通常的HOM结果，我们看到的频率干涉是由闲频光宣布的窗口（左边）决定的。这项实验以前是在每秒只有几个计数的情况下完成的，而这次升级使我们能够看到超过100Hz的计数率。

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