探测器层析仪及量子层析方法技术

本申请提供一种探测器层析设备及方法，所述方法包括以下步骤：产生一束相干光；提供一强度调制模块以将所述相干光调节到单光子量级的强度传输给一光子探测器；令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

【技术实现步骤摘要】
探测器层析仪及量子层析方法
本申请涉及量子通信
，特别是涉及一种探测器层析仪及量子层析方法。
技术介绍
精密的光子探测器对于科学、国防、工业生产等各个领域都具有重要意义，而低成本快速的探测器层析方案对于量子光学和量子信息实验非常重要。具体而言，在量子光学的光学干涉实验，量子保密通信，连续变量的量子计算以及量子测量、量子成像中，光子探测器都起到了重要的作用。比如，在量子随机数发生器中，对探测器的准确了解有助于我们产生真正可靠的随机数。在量子超分辨成像中，成像结果的好坏直接依赖于测量的精度。光子探测器的性质由其测量算子来精确刻画。对于一般的探测器，要对其进行层析(Tomography)，我们需要构建其测量算符，即正值算符测量算子(Positive-Operator-ValuedMeasurement，简称POVM)。对于光子探测器来说，由于其对光模的位相不敏感，我们可以将其测量算子看作是对于不同光子数成分相应的叠加。随着量子光学和量子信息实验水平的不断发展，人们迫切需要一种低成本、快速的探测器层析方法。现有的一种光子探测器层析方法分析探测器对于不同光子数的相应时，采取的是直接输入相应的光子数态，并对探测器的响应情况进行技术来判断的。其他的光子探测器层析方案包括入射特定量子态，通过极大似然的方法推断探测器的响应参数(DOI:10.1038/NPHYS1133)。探测器的层析方案已经有了很多研究，然而低成本高效率的探测器层析仪没有有效地实现。另外，由于实验上光子数态非常难制备，并且制备出来的精度也很差，因此输入光子数态进行光子探测器层析的方案成本高，并且效果并不好。而在已经公开的现有技术中，已有的通过极大似然的方案推断探测器响应情况可以改进对于探测器层析的效率和效果。然而，之前的工作中对于输入态的选取没有进行优化，导致其层析的效果仍然不够理想。此外，实验环境中噪音以及统计涨落对于探测器层析的结果有很大的影响。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种探测器层析仪及量子层析方法，用于解决现有技术中高成本低效率的探测器层析问题。为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种探测器层析设备，用于对光子探测器进行层析，包括相干光源，强度调制模块以及数据分析模块；其中，所述相干光源用于产生一束相干光；所述强度调制模块与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；以及所述数据分析模块连接所述光子探测器及所述强度调制模块，用于接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述相干光源为激光器。在一实施例中，所述激光器为强光连续波模式激光器。在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述强度调制模块用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。在一实施例中，所述强度调制模块为光强度调制器。在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述探测器层析设备还包括控制模块，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括控制单元，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括线性规划单元，用于依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括极大似然估计单元，用以利用极大似然估计获得各测量算子的结果。本申请的第二方面还提供一种探测器层析方法，包括以下步骤：产生一束相干光；提供一强度调制模块以将所述相干光调节到单光子量级的强度传输给一光子探测器；令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述产生一束相干光的步骤为由一激光器产生一束相干光。在一实施例中，所述激光器为连续波强光激光器。在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述将所述相干光调节到单光子量级的强度的步骤为令所述强度调制模块将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。在一实施例中，所述强度调制模块为光强度调制器。在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围的步骤为以所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述探测器层析方法还包括利用极大似然估计获得各测量算子的结果的步骤。如上所述，本申请的探测器层析仪及量子层析方法，通过不同光强的弱相干光在探测器中的响应情况对光子探测器进行层析，利用线性规划的方法，计算不同测量算子的元素取值范围，使得本申请应用场景普遍，层析仪的仪器简单使其成本较低，相较于用极大似然法估计的测量算子结果，通过线性规划得到的测量算子范围可以容忍噪声的影响，在有噪音的环境下给出相对准确的估计，因此对于量子光学和量子信息实验具有很强的实用价值。附图说明图1显示为本申请探测器层析设备在一实施例中的结构框图。图2显示为本申请探测器层析设备在另一实施例中的结构框图。图3显示为本申请探测器层析设备在再一实施例中的结构框图。图4显示为本申请探测器层析设备在又一实施例中的结构框图。图5显示为本申请探测器层析设备在另一实施例中的结构框图。图6显示为本申请探测器层析方法的流程示意图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。另外，虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述光束，但是这些光束不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个光束与另一个光束进行区分。并且类似地，一个光束可以被称作一束光，而不脱离各种所描述的实施例的范围。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包括”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探测器层析设备，用于对光子探测器进行层析，其特征在于，包括：相干光源，用于产生一束相干光；强度调制模块，与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；以及数据分析模块，连接所述光子探测器及所述强度调制模块，用于接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

【技术特征摘要】
1.一种探测器层析设备，用于对光子探测器进行层析，其特征在于，包括：相干光源，用于产生一束相干光；强度调制模块，与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；以及数据分析模块，连接所述光子探测器及所述强度调制模块，用于接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。2.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述相干光源为激光器。3.根据权利要求2所述的探测器层析设备，其特征在于，所述激光器为强光连续波模式激光器。4.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述强度调制模块用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。5.根据权利要求1或4所述的探测器层析设备，其特征在于，所述强度调制模块为光强度调制器。6.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，还包括控制模块，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。7.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述数据分析模块包括控制单元，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。8.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述数据分析模块包括线性规划单元，用于依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。9.根据权利要求8所述的探测器层析设备，其特征在于，所述线性规划单元依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围的过程具体为：设定一个M个输出的探测器的测量算子{Π(0),Π(1),…,Π(M-1)}表示为：其中，{|l>}为光子数态基矢，为第m个测量算子对于l光子输入时的响应概率，其取值范围为0-L；L为截断常数；则所述线性规划计算过程如下：其中，n表示第n个测量算子；k表示k光子状态下的响应概率；表示为第n个测量算子对于k光子输入时的响应概率；表示为响应频率；μi表示为i光子的强度值，i＝1～I。10.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雄峰，曾培，
申请(专利权)人：图灵人工智能研究院南京有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32