基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量方法技术

一种基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量方法，通过探测器件将量子在目标空间的变量转化为光子的位置变量，将目标空间变量的关联转换为位置空间变量的关联，通过探测器件按照时间顺序逐帧拍摄并以时间间隔划分，通过将划分内时间上的关联事件记录在关联矩阵中，构造出时领的关联矩阵；位置空间内，利用探测器件得到光子的空间位置关联，间接实现目标空间变量的时间相关关联测量及非时间相关关联测量。本发明专利技术设置成像系统的门宽时间，测量时间相关及非时间相关关联信息，并利用傅里叶滤波的方式对连续性进行恢复。

【技术实现步骤摘要】
基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量方法
本专利技术涉及的是一种量子光学领域的技术，具体是一种基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量(CorrelationonSpatially-mappedPhotonLevelImaging,COSPLI)方法。
技术介绍
量子相关性及其测量对于探索量子物理的基本问题和开发量子增强技术至关重要。量子相关可以在不同的空间中产生和操纵，这就需要不同的方法有针对性地对量子的各种变量进行测量，例如时间，频率和极化等。此外，早期的原理证明表示，如今对于量子相关性的测量有很大的需求，尤其是在一个足够大的希尔伯特空间内的量子相关性可用于实际量子应用。但是，当模式数量达到数百个时，单模寻址在经济考虑上是不可行的，而且使用硬件处理符合事件也非常困难。因此，需要一种探测大规模量子关联的新方法来推动这一领域的发展。
技术实现思路
本专利技术针对现有的量子关联探测无法应用于大尺度光子芯片，且耗费资源巨大的缺陷不足，提出一种基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术通过探测器件将量子在目标空间的变量转化为光子的位置变量，将目标空间变量的关联转换为位置空间变量的关联，时间领域内，通过探测器件按照时间顺序逐帧拍摄并以时间间隔划分，将划分内时间上的关联事件记录在关联矩阵中，构造出时领的关联矩阵；位置领域内，利用探测器件得到光子的空间位置关联，间接实现目标空间变量的时间相关关联测量及非时间相关关联测量。所述的目标空间是指：待测量子特性所处的希尔伯特空间。所述的位置空间是指：经转换系统转换后的光子位置所构成的希尔伯特空间。所述的空间位置是指：探测器件得到的每帧数据照片里光子的位置，该位置包括离散形式和连续形式，具体为：当所需探测的光子是从离散的出口出射，或由离散的目标变量映射而来，则为离散形式；当所需探测的光子是从连续的出口出射，或由连续的目标变量映射而来，则为连续形式。当探测器件得到的每帧数据照片里光子的位置为连续形式时，在数据分析过程中将连续点分成若干个相等长度的片段，在后期数据处理阶段需要恢复其固有的连续性以避免数据的连续性遭到破坏。所述的固有的连续性，本专利技术采用二维傅里叶滤波进行恢复，具体为：对关联矩阵进行二维傅立叶变换，得到包含中央直流(DC)峰值、中央水平线、中央竖直线的频域结果，然后通过过滤窗口过滤得到中央直流峰值，再对中央直流峰值进行二维傅立叶逆变换，即得到连续的关联矩阵。所述的时间相关关联测量是指：在同一帧照片内，所有的光子来源于激光的同一束脉冲。所述的非时间相关关联测量是指：在同一帧照片内，所有的光子来源于激光的不同束脉冲。本专利技术涉及一种实现上述方法的系统，包括：待测空间关联特性确定模块、空间映射模块、位置空间信息模块、单光子成像模块以及空间-时间关联分析模块，其中：待测空间关联特性确定后，空间映射模块将待测空间关联特性映射到位置空间信息模块，并被单光子成像模块探测接收，最终由空间-时间关联分析模块给出最终的量子关联信息。技术效果与现有技术相比，本专利技术使用单光子成像技术，编写位置空间下的光子探测程序，能够直接测量光子空间位置的关联特征，并且间接地计算目标空间内变量的关联矩阵。另外，本专利技术展示了时间相关和非时间相关的关联矩阵测量结果，揭示了光子对的时间关联性。最后，这一技术打破了目前只能探测小规模量子关联的限制，为测量光子的大尺度空间-时间相关性提供了新思路。附图说明图1为数据图像读取，以及时间相关、非时间相关示意图；图2为测量时间领域关联的示意图；图3为实施方式的示意图；图4为程序流程图；图5为关联光子联合光谱的理论、实验对比图。具体实施方式本实施例以增强型单光子成像装置为探测器件，该增强型单光子成像装置为：带有增益器件、门宽控制、成像屏幕的装置，能够探测每个光子所在的位置并在屏幕显示。如图3所示，本实施例具体步骤包括：步骤1：确定目标空间。如极化、频率、波长、动量，角动量都可以张成待测量的目标空间，单量子的量子态可以在各种空间下展开，例如电子的能量、动量、角动量、自旋，光子的波长、频率、偏振等，当需要测量这些空间下变量的关联信息，即可将这些变量张成的空间设置为目标空间。如图3所示，使用{u1i}与{u2j}来表示待测变量。本实施例探测关联光子的联合光谱，因此目标空间为频率(或波长)空间。步骤2：设计映射系统。单量子的能量一般非常微弱，因此将单量子在目标空间上信息转换为位置空间上光子的信息来间接测量单量子关联。为了将光子的频率信息映射到空间位置信息，本实施例选用闪耀光栅作为映射系统，既能够有效地将光子频率转换为连续的空间位置，又同时保证了低的能量损耗。步骤3：探测光子位置。当探测器件得到的每帧数据照片里光子的位置为离散形式时，根据点的位置将图像直接划分为多个不连续的区域，然后构造一个关联矩阵；当探测器件得到的每帧数据照片里光子的位置为连续形式时，在数据分析过程中将连续点分成若干个相等长度的片段，在后期数据处理阶段需要恢复其固有的连续性以避免数据的连续性遭到破坏。如图3所示，符号{x1i}与{x2j}表示转换后的位置变量的不同分量。在本实施例中，光子的频谱是连续的，因此转换而来的位置也是连续的。所述的恢复固有的连续性，采用二维傅里叶滤波实现，具体为：首先对计算机处理得到的关联矩阵做二维傅立叶变换，得到包含中央直流(DC)峰值、中央水平线、中央竖直线和一些噪声的结果，然后通过过滤窗口将无用信息剔除并仅剩下中央直流峰值，再对中央直流峰值进行二维傅立叶逆变换，即可得到真正连续的关联矩阵。步骤4：选择单光子成像系统，设置增益门宽、控制时间相关关联测量以及非时间相关关联测量。如图1所示，该脉冲激光的脉冲时间为t0，当设置成像系统的增益门宽(或曝光时间)tg短于或等于脉冲时间t0，并选取合适的触发延时时间，则入射进入同一帧的光子就来自于同一束脉冲，两者在时间上是相关的。相应地，从屏幕上的点的位置可以导出空间信息，从信号点所处的帧的顺序可以导出时间信息。在本实施例中，使用的是Andor单光子IntensifiedCharge-coupledDevice(ICCD)，时间相关与非时间相关关联测量都得到了实现。实验中所使用的激光脉冲脉宽130fs，重复频率为77MHz，两个相邻脉冲之间的间隔约为13ns。做时间相关测量时，ICCD选用的门宽为12.5ns，略低于脉冲间隔；做非时间相关测量时，ICCD选用的门宽为10μs，远远大于脉冲间隔。若要测量一个系综的经典关联统计特性，而不携带量子效应导致的特殊关联特性，则要破坏量子的全同性，若光子来源于不同束激光脉冲，全同性自然不复存在。如图1所示，通过设置成像系统的增益门宽(或曝光时间)tg远远大于脉冲时间t0，则入射进同一帧照片的各个光子就具有极大的概率来自于不同脉冲，两两之间在时间上不相关。除时间相关、非时间相关之外，本专利技术还提出一种新的测量时间领域关联的方式。如图2所示，若设定单光子成像系统按照时间顺序逐帧拍摄，则得到的图像的顺序将携带时间信息，设置一定的时间间隔为一个划分，在划分内寻找时间上的关联事件，记录在关联矩阵当中。如此长时间地测量足够多的数据，即可构造出时间领域的关联矩阵。步骤5：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量方法，其特征在于，通过探测器件将量子在目标空间的变量转化为光子的位置变量，将目标空间变量的关联转换为位置空间变量的关联，时间领域内，通过探测器件按照时间顺序逐帧拍摄并以时间间隔划分，将划分内时间上的关联事件记录在关联矩阵中，构造出时领的关联矩阵；位置领域内，利用探测器件得到光子的空间位置关联，间接实现目标空间变量的时间相关关联测量及非时间相关关联测量；所述的目标空间是指：待测量子特性所处的希尔伯特空间；所述的位置空间是指：经转换系统转换后的光子位置所构成的希尔伯特空间。

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子成像器件的光子级空间映射关联性测量方法，其特征在于，通过探测器件将量子在目标空间的变量转化为光子的位置变量，将目标空间变量的关联转换为位置空间变量的关联，时间领域内，通过探测器件按照时间顺序逐帧拍摄并以时间间隔划分，将划分内时间上的关联事件记录在关联矩阵中，构造出时领的关联矩阵；位置领域内，利用探测器件得到光子的空间位置关联，间接实现目标空间变量的时间相关关联测量及非时间相关关联测量；所述的目标空间是指：待测量子特性所处的希尔伯特空间；所述的位置空间是指：经转换系统转换后的光子位置所构成的希尔伯特空间。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的探测器件为增强型单光子成像装置，能够在屏幕上探测到单个光子，从而探测到每个光子所在的位置。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的空间位置是指：探测器件得到的每帧数据照片里光子的位置，该位置包括离散形式和连续形式，具体为：当所需探测的光子是从离散的出口出射，或由离散的目标变量映射而来，则为离散形式；当所需探测的光子是从连续的出口出射，或由连续的目标变量映射而来，则为连续形式。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当探测器件得到的每帧数据照片里光子的位置为连续形式时，在数据分析过程中将连续点分成若干个相等长度的片段，在后期数据处理阶段需要恢复其固有的连续性以避免数据的连续性遭到破坏。5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的固有的连...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤敏，孙轲，高俊，曹明明，刘煜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31