客户：斯蒂文斯理工学院
研究领域：纳米光子学
国家：美国

研究背景

为了获得量子互联网的好处，我们需要能够远距离准确地传输量子比特。这听起来很简单——我们经常以令人眼花缭乱的速度在世界各地发送和接收信息——但制造和操控飞行量子比特的技术要求是惊人的困难。

为了编码我们的量子比特，我们需要一个单光子源，我们知道在给定的时间间隔内，我们期望产生一个且只有一个光子。衰减的激光不符合这一要求：当平均每个时间间隔有一个激光光子时，实际上更有可能是零光子或多个光子。

我们希望将传输损耗降至最低，因此我们更喜欢在光纤低吸收窗口（电信C波段，1530-1565 nm）发射光子的光源。另外，为了扩展我们的量子装置，我们希望能够创建丰富的光子集成电路，因此我们更喜欢嵌入固态衬底的紧凑型光源。当然，为了以尽可能快的速度发送量子比特，我们希望我们的光源更明亮：只要我们的定时电子设备可以处理，单光子越多越好。

图1：（来自Ma Zhaohui等人[1]）PPLN微环谐振器的示意图，带有器件的扫描电镜图像，其中输入的可见泵浦光子（~775 nm）下转换为电信波长光子对（~1550 nm）。

进入史蒂文斯理工学院量子增强系统与技术实验室（QuEST）的Zhaohui Ma和Jia-Yang Chen，他们开发了一种先进的电信波长片上单光子光源[1][2]。

他们的设备（见图1）基于周期性极化铌酸锂（PPLN）微环谐振器，在该谐振器中，入射光子通过材料的非线性光学特性相互作用，产生的光子的波长为入射光波长的两倍（例如自发参量下转换，SPDC）或一半（例如二次谐波产生，SHG）。利用SPDC产生的光子对，Zhaohui和Jia-Yang的设备可以作为一个预告单光子源运行，其中波长不同的信号和闲频光子被滤光后输入到单独的光路中，对信号光子的探测告诉你，在另一个臂中应该同时有一个闲频光子。

客户需求

为了表征他们设备的性能，Zhaohui和Jia-Yang想测量一些关键的指标，包括：

• The Pair Generation Rate(PGR)光子对产生速率:在设备中生成光子对的速率
• The Brightness亮度:光子对产生速率随输入泵浦光功率的变化
• Coincidence-to-Accidental Ratio(CAR)符合意外比:对输出中存在的多光子杂散发射的测量
• g(2)(0),the zero-delay second-order autocorrelation零延迟二阶自相关：单光子信号纯度的标准测量方法

这些指标中的每一项都需要时间相关单光子计数（TCSPC）来测量，即它们需要单光子探测器和时间控制器。通过具有更高的探测器效率、更少的暗计数和更高的定时分辨率，这些测量都得到了改进。然而，主要的挑战是证明他们的纳米光子器件作为单光子发射器的性能。为此，他们需要在Hanbury-Brown和Twiss（HBT）实验中，通过测量其二阶自相关函数，或g（2）（τ），在预报的单光子中显示出强烈的反聚束。

HBT测量

Zhaohui和Jia-Yang使用的HBT测量装置如图2所示。g（2）（τ）二阶自相关函数的测量是闲频光子臂中两个探测器之间，开始-停止时间延迟的直方图，告诉您在第一个探测器中观察到一个光子后，在另一个探测器上以时间延迟τ观察第二个光子的可能性。零延迟值g（2）（0）用作单光子纯度的标准测量。

对于激光来说，每个光子的到达时间都独立于其他光子，所以你会看到一条均匀的g（2）曲线。对于单光子源，你会看到（理想情况下）在零延迟处没有一致性，并且在远离零延迟的地方有一个不相关一致性的均匀正背景。

对于这种纳米光子器件，测量g（2）曲线带来了几个技术挑战：

1. 时间分辨率
   g（2）曲线的时间宽度通常为纳秒或更短。高定时抖动的探测器将无法解析曲线中如此尖锐的特征，因此实验将不会观察到统计上显著的反聚束下降。在QuEST lab的实例中，它们的时间限制在其设备的腔寿命上，约为80 ps，因此需要在可比的时间范围内具有合适定时抖动的探测器，并且优选定时抖动小两倍的探测器（即，具有40-80 ps定时分辨率的探测器）。
2. 效率
   常规HBT实验在两个探测器上记录了双探测事件，因此信号随着平均单光子计数率的平方而改善。严格地说，预告的光子依赖于三重探测的一致性，因此信号取决于平均计数率的立方。即使在单光子计数率相对较高的情况下，双光子和三光子探测事件也可能很少见，需要几分钟、几小时或几天来建立具有统计意义的测量。

鉴于TCSPC中的光子探测统计数据遵循泊松分布，探测器效率的提高将使构建等效统计数据所需的时间减少2到3次方。将探测器的效率提高一倍可能意味着测量时间为300秒或300天的差别。

图2：（来自Zhaohui Ma等人[1]）表征（a）光子对产生速率、亮度和多光子噪声，以及（b）预报单光子产生的保真度的实验装置。VA：可变衰减器，TEC：热电冷却器，BS：分束器，PPLN：周期极化铌酸锂，DWDM：密集波分复用，SNSPD：超导纳米线单光子探测器，TDC：时间-数字转换器。

3. 本底噪声
   在高泵浦功率下，微环器件的多光子对发射将主导实验中的噪声，而在低功率下，探测器暗计数将主导实验中的噪声。测量中的噪声会增加观测到的g（2）曲线的最小倾角。因此，为了尽可能真实地证明器件的单光子纯度，最小化探测器暗计数率至关重要。

解决方案

为了满足QuEST实验室的量子传感需求，ID Quantique提供了一系列ID281超导纳米线单光子探测器和ID900时间控制器。SNSPD的高效率（1550 nm时>85%）、定时分辨率（<46 ps）和低暗计数率（50-100 Hz），再加上ID900的定时精度，使所有关键单光子和光子对TCSPC测量得以成功、快速地执行。

结果

通过ID281 SNSPD和ID900时间控制器组合测量微环谐振器设备的输出，QuEST实验室能够展示最先进的超紧凑型电信波长单光子源的性能。

Zhaohui和Jia-Yang的设备的亮度和光子成对产生速率比同类设备高出几个数量级。在低泵浦功率下，特征单光子反聚束倾角非常接近于零——在3.4μW泵浦功率下，g（2）（0）=0.0080（7），这意味着高质量的单光子源。即使在更高的泵浦功率下，光也具有令人信服的亚泊松特性，在13.4μW的泵浦功率下，g（2）（0）=0.097（76），证明了作为可扩展单光子技术的前景。考虑到在较高泵浦功率下多对发射的相对增加，通过使用光子数分辨探测器臂和信号光子臂，可以进一步提高高功率单光子纯度。

ID281 SNSPD的超低暗计数率允许对测量的g（2）曲线的噪声贡献可忽略不计，从而提供了设备本身的准确可靠的展示。ID281和ID900组合的低定时抖动允许测量高分辨率的g（2）曲线，而ID281的高系统探测效率允许在合理的时间范围内，在不同的实验条件下，甚至在非常低的激励功率下，重复进行一系列TCSPC测量。

通过将TCSPC设备升级为ID281 SNSPD和ID900时间控制器设置，我们能够更好地展示我们最先进的超亮片上量子光子源的真实性能。如果没有SNSPD的效率、低噪声和精确定时，我们的实验将花费不切实际的时间来获取低质量的数据。
Zhaohui Ma
史蒂文斯理工学院博士研究员

图3：（来自Ma Zhaohui等人[1]）光源的实验结果（a）作为输入泵浦功率的函数的光子对产生速率，（b）作为泵浦功率的函数的产生光子对的重合与偶然比率，（c）作为泵浦功率的函数的零延迟g（2）（0）反聚束倾角，以及（d）对预示的闲频光子的单个g（2）测量，对应于3.4μW泵浦功率下的g（2）（0）=0.0080（7）

总之，这种设备代表了量子网络中集成光子电路的一种有希望的候选技术。作为一种紧凑明亮的电信波长单光子源，它具有强大的可证明性能，并且有可能将微谐振器芯片集成到更复杂的设备中，以实现先进的光/物质相互作用。

像这样的高性能单光子源有着无数的应用，从量子通信、量子计算、计量学、显微镜等等。例如，将这些设备级联到一个芯片上，可以为长距离量子中继提供一个优雅的纠缠源，或许还可以提供一个实用的量子中继器，让你在更远的距离上共享更丰富的量子比特态。这些光子构造块技术将为我们提供扩展强大且经得起未来考验的量子互联网所需的资源。

[1] ‘Ultrabright Quantum Photon Sources on Chip’, Zhaohui Ma et al., 2020, Phys. Rev. Lett. 125, 263602

[2] ‘Photon Conversion and Interaction on Chip’, Jia-Yang Chen et al., 2021, arXiv:2105.00275