一种基于光开关网络的光子探测系统技术方案

一种基于光开关网络的光子探测系统，包括可配置的多级光开关网络和探测任务调度程序，当需要为n个光量子实验系统，分别用E1,E2,...,E

【技术实现步骤摘要】
一种基于光开关网络的光子探测系统


[0001]本专利技术涉及一种基于光开关网络和光子探测任务调度程序的软硬件一体光子探测系统，实现了有限光子探测器通道的时分复用和虚拟化，能够为多于实际光子探测器通道数的光量子信号提供单光子以及多光子探测服务，属于量子光学实验和量子计算领域。

技术介绍

[0002]利用单光子探测器进行光量子信号的测量是利用光量子体系完成量子信息处理任务的关键环节，一般包括单光子计数以及多光子符合计数等，用于量子信息处理结果的读出。对于一般的量子光学实验系统或者通用的光量子计算系统而言，系统中可探测的光量子信号数目以及不同光量子信号之间的纠缠复杂程度，在一定程度上决定了系统可实现的量子信息处理任务的复杂程度或者计算能力。同时，更多可探测的光量子信号以及更复杂的纠缠，意味着需要更多的单光子探测器通道以及更高的光子探测效率。因此，提高单光子探测器通道的数目以及探测效率，对光量子实验或计算系统的实验或计算能力的扩展具有重要意义。然而，目前商用高效率单光子探测器，例如超导纳米线单光子探测器等，其平均单路探测通道的造价十分昂贵，而且需要工作在低温环境下。所以，仅仅通过增加单光子探测器通道数的方式，来满足光量子实验或计算系统能力提升的需求，那么构建整个系统的经济成本将变得难以承受，而且整个系统的可扩展性也会受到严重的制约。因此，现阶段在单光子探测器通道数相对有限的条件下，设计高效且成本可控的单光子探测器通道复用方案，对于实现的光量子实验或计算系统的扩展具有重要的实际价值。
[0003]对于单个大规模的光量子实验系统或者多个相互独立的小规模光量子实验系统需要同时占用同一个光子探测器进行实验，但可用探测器通道数目少于待探测光量子信号数目时，在实际情况下，一般会通过人工插拔光纤等方式来完成不同实验系统对探测器通道占用的冲突问题。不过，人工插拔光纤的方式很明显会降低多个实验系统的实验效率，而且容易引入不必要的实验损耗甚至是实验错误。光开关是一种具有多个可选的传输端口的光学器件，可以通过施加电学控制信号实现光信号传输通道的切换，利用高速、低损耗的光开关构建的光开关网络，可以实现来自不同实验系统的多路光量子信号对探测器通道的时分复用。根据不同的探测任务需求，进行不同的光开关网络配置，进而实现不同的待探测光量子信号与探测器通道间的映射关系，完成不同的探测任务，为实现单个光量子实验系统的扩展以及多个实验系统的“并行”实验效率的提升提供了可行的技术途径。现有技术有公开到单光子探测器系统及控制方法，但与本专利技术不同。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的：为了克服现阶段光量子实验或计算系统中所面临的单光子探测器通道数目的扩展与高效复用问题，本专利技术提供一种基于光开关网络的光子探测系统，通过可配置的多层级光开关网络和探测任务调度程序，实现了有限单光子探测器通道资源的扩展与虚拟化，能够为多于实际光子探测器通道数的光量子信号提供单光子以及多光子探测服
务。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于光开关网络的光子探测系统，包括可配置的多级光开关网络和探测任务调度程序，当需要为n个光量子实验系统(分别用E1,E2,...,E
n
表示)提供探测服务，各个实验系统需要进行探测的光量子信号数目依次为N1,N2,...,N
n
，所有可用的光子探测器通道总数为D；对每个实验系统中的待探测光量子信号进行分类，各个实验系统中光量子信号的类别数依次为m1,m2,...,m
n
；对于任意特定的实验系统E
i
，其所包含的各个光量子信号类别中光量子信号数目依次为满足并为不同类别分配不同数目的探测器通道数，依次为其中：
[0006]所述可配置多级光开关网络整体可以分为两层，第一层是与各个实验系统相关的光开关网络，在该层不同实验系统对应的光开关网络是相互独立的，对于任意一个实验系统E
i
对应的光开关网络，其均包括m
i
个子网络，子网络的类型分别为其中表示子网络有路输入信号，路输出信号。考虑使用物理实现层面可行且同样类型的光开关来构建这些子网络，假设使用的光开关类型为S
→
o：(1)当时，其中为正整数，则可以使用个并排放置的S
→
o光开关构建出这m
i
个子网络；
[0007]光开关的类型表示的是光开关能够从S路输入信号中选择o路输出，那么S/o表示光开关平均一路输出“等效”对应的输入通道数目。(1)中的公式：中间项表示该子网络j中每一路输出“等效”映射的输入通道数目。整个公式的含义为：当接近于S/o的某一整数倍的情况下，也即1倍，则使用1个S
→
o型光开关，直接“并排”放置，并连接至子网络的输出端，即可实现该子网络输入输出信号间映射所需的光开关网络。
[0008](2)当时，则使用个S
→
o光开关，按照多个并排放置的类“树型”结构构建出这m
i
个子网络，即后一级的光开关的输出端全接至前一级光开关的输入端。
[0009]另外，第二层光开关网络则用于将第一层光开关网络输出的，来自n个实验系统的共n
·
D路光量子信号至D个探测器通道的映射，需要构建D个n
→
1的子网络：(1)当(h
‑
1)
·
(S/o)＜n≤h
·
(S/o)时，其中h为正整数，则可以使用D
·
h个并排放置的S
→
o光开关构建出这D个子网络；(2)当(S/o)
h
‑1＜＜n≤(s/o)
h
时，则可以使用个S
→
o光开关，按照多个并排放置的类“树型”结构构建出这D个子网络。第二级光开关网络的设计思路及其公式表述，与第一级光开关网络设计策略及其公式表述同。
[0010]对每个实验系统中的待探测光量子信号进行分类，考虑不同光量子信号之间关联测量的模式，分类的标准为：(1)同类型的光量子信号之间需要进行的关联测量涉及的信号数目至多为o；(2)任意两个或多个不同类型的光量子信号之间需要进行的关联测量涉及的
信号数目大于o，并且要求所有实验系统中光量子信号类别数的最大值m
max
≤D。o的取值一般为1或2，可以根据实验需求来取。
[0011]在该探测系统中，所有待探测的光量子信号与探测器通道间的映射关系，对于所有的实验系统都是透明的，因此，每个实验系统均认为其占用所有的探测器通道，也即对于任意实验系统E
i
，满足
[0012]优选的：对每个实验系统中的待探测光量子信号进行分类，主要考虑不同光量子信号之间关联测量的模式，分类的标准为：(1)同类型的光量子信号之间需要进行的关联测量涉及的信号数目至多为o；(2)任意两个或多个不同类型的光量子信号之间需要进行的关联测量涉及的信号数目大于o，并且要求所有实验系统中光量子信号类本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光开关网络的光子探测系统，其特征是，包括可配置的多级光开关网络和探测任务调度程序，当需要为n个光量子实验系统，分别用E1,E2,...,E
n
表示提供探测服务，各个实验系统需要进行探测的光量子信号数目依次为N1,N2,...,N
n
，所有可用的光子探测器通道总数为D；对每个实验系统中的待探测光量子信号进行分类，各个实验系统中光量子信号的类别数依次为m1,m2,...,m
n
；对于任意特定的实验系统E
i
，其所包含的各个光量子信号类别中光量子信号数目依次为满足并为不同类别分配不同数目的探测器通道数，依次为其中：(1)所述可配置多级光开关网络整体可以分为两层，第一层是与各个实验系统相关的光开关网络，在该层不同实验系统对应的光开关网络是相互独立的，对于任意一个实验系统E
i
对应的光开关网络，其均包括m
i
个子网络，子网络的类型分别为其中表示子网络有路输入信号，路输出信号。考虑使用物理实现层面可行且同样类型的光开关来构建这些子网络，假设使用的光开关类型为S
→
o：(1)当时，其中为正整数，则使用个并排放置的S
→
o光开关构建出这m
i
个子网络；(2)当时，则使用个S
→
o光开关，按照多个并排放置的类“树型”结构构建出这m
i
个子网络，即后一级的光开关的输出端全接至前一级光开关的输入端。另外，第二层光开关网络则用于将第一层光开关网络输出的，来自n个实验系统的共n
·
D路光量子信号至D个探测器通道的映射，需要构建D个n
→
1的子网络：(1)当(h
‑
1)
·
(S/o)＜n≤h<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊杰，邓明堂，黄安琪，詹俊伟，丁江放，刘英文，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：