采用并行SNSPD实现高保真PNR检测

光子数分辨能力（PNR）是指探测器不仅能检测光脉冲中的光子存在，更能准确区分其数量的特性。在量子科学领域，这一要求更为严苛：目标是根据探测器输出的信号准确推算出光子数量。预测概率越高，PNR测量的保真度就越高。这种能力对量子光学、光量子计算、量子通信以及所有需要单次测量光子数量的应用都至关重要。根据探测器类型（如时间分辨探测器TES、SNSPD、 HPD 、硅光电倍增管SiPM等），可通过不同分析策略实现PNR。本文展示了将Swabian Instruments的时间标记技术与ID Quantique（IDQ）的PNR SNSPD 技术相结合，实现具有卓越保真度的PNR检测。

实验装置

为实现高保真光子数分辨（PNR）检测， IDQ 开发了一种独特的并行 SNSPD（P- SNSPD）设计，采用8至28 SNSPD 像素的交错阵列并行集成在芯片上[1]。这种布局使得所有像素可通过单根同轴电缆读取。该设计将光子数信息编码在生成的电信号脉冲幅度和宽度中。借助Swabian Instruments时间标记器的独特功能，仅需单个输入通道即可同时记录脉冲的上升沿和下降沿。利用这些信息，测量脉冲宽度并高保真推断信号中光子数量变得轻而易举。

图1-光子数分辨（PNR）检测装置： IDQ 的P-SNSPDs、 IDQ 的PNR-LinQ以及Swabian Instruments的TimeTaggerX（TTX）。图表展示了使用两个 TTX 通道对每个可能脉冲幅度（对应P- SNSPD 上的1至8个点击）进行的脉冲宽度测量。

图1展示了测量装置的结构。光脉冲入射到P- SNSPD 上，其产生的电信号则显示在右侧。虽然系统展示了所有可能的电信号幅度（最多可显示八种不同脉冲），但每次检测仅实现一个脉冲。这些幅度的分布与光子数量的统计规律高度吻合。该装置的核心目标是实现高精度的脉冲识别与时间标记。ID Quantique PNR-LinQ系统可根据实际需求配置脉冲副本数量，因为单个副本可能无法高保真地识别多达8个光子。如图1所示示例中，系统生成了两个副本：一个用于蓝光通道，另一个用于红光通道。需要特别说明的是，分束器输出的电压幅度经过调整，完全符合Swabian Instruments公司Time Tagger X（TTX）脉冲系统的技术要求，确保了与该系统的完全兼容性。

振幅通过测量特定触发电平下的信号宽度来确定，该测量采用Swabian Instruments软件包提供的启停测量功能。如图1所示，蓝色样本的脉冲宽度测量时，判别电平设置为触发P- SNSPD 电脉冲第一电平的振幅；红色样本的测量时，判别电平则设置为第四电平的振幅。

图1右侧展示了脉冲分析结果。 TTX 测量每个脉冲上升沿与下降沿之间的时间差。蓝色通道用于识别前三个电平（1至3）的宽度，红色通道用于识别第四至第八电平（4至8）的宽度。各案例的测量宽度如图所示并标注。

实验结果

图2 – 蓝通道（左）与红通道（右）测量事件的对数尺度直方图。条带显示对应于不同电脉冲振幅水平宽度的区域。

该测量过程重复多次，测得的宽度分布如图2所示。左图展示蓝光通道的测量宽度，右图则显示红光通道的测量结果。彩色条带用于标识不同层级的识别宽度。各条带之间几乎无重叠，这表明正确幅度的分配可实现高精度。这一特性是通过P-SNSPD获得高保真PNR测量的关键所在。

总结与展望

本文提出的方法是一种创新、高度实用且可扩展的解决方案，可实现高保真度的单次光子数识别。该方案融合了Swabian Instruments公司Time Tagger X与 IDQ 公司P- SNSPD 技术的独特优势。这项光子数分辨测量技术的突破，预计将对多种应用场景产生深远影响。它能以高检测率实现光子数分辨测量，这将显著提升光量子计算与量子通信的可扩展性。此外，该技术还将为充分利用多光子检测潜力的新应用创造机遇。

参考文献

[1] Stasi, L., Taher, T., Resta, G. \I., Zbinden, H., Thew, R. and Bussieres, F., 2024. Enhanced Detection Rate and High Photon-Number Efficiencies with a Scalable Parallel SNSPD. ACS Photonics, 12(1), pp.320-329.