【技术实现步骤摘要】
本申请属于光子探测，具体而言，涉及一种光子数分辨探测器及其探测方法。
技术介绍
1、光子数分辨探测器是波色采样量子计算机的核心组件之一，在量子信息其它领域也具有重要作用，是量子信息研究中重要的实验仪器。单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够对单个光子进行探测和计数。然而多数单光子探测器不具备光子数分辨能力，它们的输出只有0（没有光子）和1（有光子）两种状态。当一个或多个光子入射到探测器上时，探测器的输出电压就会饱和，无法分辨具体的入射光子数，然而，很多常见的光量子态均包含多个光子，因此制备具有大规模光子数分辨能力的高性能探测器是量子信息领域的重要研究方向。
2、目前能直接实现光子数分辨的探测器有超导转变边缘感应器（tes）和微波动态电感探测器（mkid），但成本高昂、探测的光子计数率低、时间抖动大而且需要在极低温环境（mk量级）下工作。此外，还可通过在成本低廉的阈值单光子探测器（如可见光波段的硅基单光子探测器、红外波段的ingaas雪崩单光子探测器等）前置分束器阵列的方式实现光子数分辨，但这种方法只能概率性地实现光子数分辨，并且需要的探测器数量多，导致体积大、成本高。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本申请提供一种光子数分辨探测器及其探测方法，利用循环波导和可调控分束器实现光脉冲的循环和各第一单光子探测器的复用且通过分析每次循环中各第一单光子探测器的计数之和是否为零判断是否继续循环，降低循环次数和循环时间。其具体方案如下：
2、第一方面，本
3、n个波导分束器依次相连，波导分束器和可调控分束器均具有两个输入端和两个输出端，前一个波导分束器的输出上端与下一个波导分束器的输入上端连接，每个波导分束器的输出下端相应连接一个第一单光子探测器，第n个波导分束器的输出上端与可调控分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出上端通过循环波导与第一个波导分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出下端连接第二单光子探测器，可调控分束器、第二单光子探测器和所有第一单光子探测器均与控制模块连接；波导分束器用于对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；可调控分束器基于控制模块的控制将接收的光脉冲全部从其输出上端输出或全部从其输出下端输出；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的光脉冲信号转换为相应的电信号并获取光子计数；控制模块基于每个循环过程中各第一单光子探测器反馈的光子计数控制可调控分束器的分束比并分析获取光子总数；
4、其中，n为正整数且，式中[ ]符号表示取整，n为预设的光子数分辨探测器可测的最大光子数量，t为光脉冲循环一次所需的时间，t为待测光脉冲的周期，光脉冲循环一次的过程为光脉冲从第一个波导分束器依次输入到第n个波导分束器并从可调控分束器输出经过循环波导传输至第一个波导分束器的过程。
5、进一步地，光子数分辨探测器还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，控制模块用于周期性输出斩波电信号，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器。
6、优选地，所述波导分束器为固定分束比分束器或可调控分束器；
7、当波导分束器为固定分束比分束器时，波导分束器的分束比均为（n-1）:1；
8、当波导分束器为可调控分束器时，在第一循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-1）:1，在第二循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-n-1）:1，在第三循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-2n-1）:1，以此类推，在第m循环过程中调控各波导分束器的分束比均为[n-（m-1）×n-1]:1，其中；
9、或当波导分束器为可调控分束器时，在第一循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-2）:1，依次类推，第n个波导分束器的分束比为（n-n）:1；在第二循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-n-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-n-2）:1，以此类推，第n个波导分束器的分束比为（n-2n）:1；以此类推，在第m循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为[n-（m-1）×n-1]:1，第二个波导分束器的分束比为[n-（m-1）×n-2]:1，第三个波导分束器的分束比为[n-（m-1）×n-3]:1，以此类推，第n个波导分束器的分束比为，其中。
10、优选地，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均为光电倍增管、雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器中的一种。
11、优选地，所述控制模块为上位机。
12、优选地，所述斩波器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。
13、优选地，所述可调控分束器为mz干涉仪。
14、第二方面，本申请公开了一种光子数分辨探测器的探测方法，所述方法应用于上述的光子数分辨探测器，所述光子数分辨探测器包括n个波导分束器、n个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块，所述方法包括：
15、待测光脉冲输入至第一个波导分束器开始第一循环过程，光脉冲依次输入至各个波导分束器，各波导分束器对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；同时每个波导分束器对应连接的第一单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块；
16、控制模块统计第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和，若计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，此计数结果即为待测光脉冲的光子数量；若第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和不为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出上端并通过循环波导输入至第一个波导分束器开始第二循环过程，重复第一循环的探测过程，直至在某一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和为零，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，控制模块累加各个循环过程中第一单光子探测器的计数总和以及第二单光子探测器的计数，累加总和即为待测光脉冲的光子数量；若经过第循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则在第循环过程中，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器强制结束循环停止探测。
17、进一步地，当光子数分辨探测器还包括斩波器，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光子数分辨探测器，其特征在于，包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块；
2.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，控制模块用于周期性输出斩波电信号，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器。
3.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述波导分束器为固定分束比分束器或可调控分束器；
4.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均为光电倍增管、雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述控制模块为上位机。
6.根据权利要求2所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述斩波器为MZI型光开关或铌酸锂强度调制器。
7.根据权利要求1或3所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述可调控分
8.一种光子数分辨探测器的探测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的光子数分辨探测器，所述光子数分辨探测器包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块，所述方法包括：
9.根据权利要求8所述的一种光子数分辨探测器的探测方法，其特征在于，当光子数分辨探测器还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器时，所述方法还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种光子数分辨探测器，其特征在于，包括n个波导分束器、n个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块；
2.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，控制模块用于周期性输出斩波电信号，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器。
3.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述波导分束器为固定分束比分束器或可调控分束器；
4.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均为光电倍增管、雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：安雪碧，李杨，赵远洋，吴陈波，魏梦琪，
申请(专利权)人：合肥硅臻芯片技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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