單光子源性能表征及測(cè)量方法

ICS17.180.20

A60

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXXX—XXXX

單光子源性能表征及測(cè)量方法

Methodstocharacterizeandmeasuresingle-photonsource

（點(diǎn)擊此處添加與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的標(biāo)識(shí)）

（征求意見稿）

（本草案完成日期：2023年3月12日）

在提交反饋意見時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起

草。

請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。

本文件由全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC587）提出并歸口。

本文件起草單位：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司、華

東師范大學(xué)、山西大學(xué)、中國(guó)電子信息集團(tuán)有限公司、中科院上海微系統(tǒng)所、中國(guó)計(jì)量大學(xué)、深圳中國(guó)

計(jì)量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所。

本文件主要起草人：

II

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單光子源性能表征及測(cè)量方法

1范圍

本文件規(guī)定了表征單光子源性能的參數(shù)和測(cè)量方法。

本文件適用于單光子源的性能評(píng)價(jià)和測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB3102.6-93光及有關(guān)電磁輻射的量和單位

JJF1032-2005光學(xué)輻射計(jì)量名詞術(shù)語及定義

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

單光子源single-photonsource

在測(cè)量或應(yīng)用的單元時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射光子數(shù)目等于1的概率為100%的光源。

3.2

光子通量photonflux,p

在單位時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的光子數(shù)。

3.3

光子頻譜（或光子光譜）photonspectrum

光子亮度、光子通量、光子強(qiáng)度、光子照度等特性在不同頻率（或真空波長(zhǎng)）上的相對(duì)密集度。

3.4

光子譜寬photonspectrallinewidth

光子頻譜（或光譜）的范圍，可用光子頻譜（或光譜）的半高全寬表示。

3.5

光子空間分布photonspatialdistribution

以光源為原點(diǎn)的空間不同方向上單元立體角內(nèi)的光子通量密集度。

3.6

1

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光子時(shí)域分布photontemporaldistribution

光子通量在時(shí)域上的密集度。

3.7

光子脈寬photonpulsewidth

相對(duì)于有效激勵(lì)時(shí)刻的光子發(fā)射時(shí)域范圍。

3.8

單光子純度single-photonpurity

光源在測(cè)量或應(yīng)用的單元時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射光子數(shù)目等于1的概率。

3.9

光子全同度photonindistinguishability

任意兩個(gè)光子模態(tài)的不可區(qū)分程度，一般稱為光子全同度。

3.10

單光子產(chǎn)率single-photonyieldingefficiency

在受到一次有效激勵(lì)時(shí)，光源發(fā)射出一個(gè)單光子的概率。

4單光子源的分類

4.1確定性單光子源

可在未來任意指定時(shí)刻作為單光子源的光源?？衫么_定的脈沖光、電、磁等方式對(duì)單原子、單離

子、單分子、單量子點(diǎn)或單缺陷等量子系統(tǒng)進(jìn)行有效激勵(lì)而實(shí)現(xiàn)。在確定激勵(lì)條件下，單光子的發(fā)射確

定會(huì)在激勵(lì)之后的特定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。

4.2概率性單光子源

無法在未來任意指定時(shí)刻作為單光子源、通過光子發(fā)射時(shí)的關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象可確定哪些時(shí)刻作為單光

子源的光源。通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換、四波混頻等方式產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)非局域關(guān)聯(lián)共軛光路

中的其中一路進(jìn)行單光子純度檢測(cè)，確定該路具有單光子源特性的時(shí)刻，從而確定另一路可以作為單光

子源的時(shí)刻。這一類單光子源又可被稱為預(yù)報(bào)式單光子源（Heraldedsingle-photonsource）。

4.3準(zhǔn)單光子源

性能不完全符合但接近單光子源、可在測(cè)量或應(yīng)用中代替單光子源使用的光源。

注1：脈沖平均光子數(shù)衰減到遠(yuǎn)小于1的脈沖激光光源，在二階相干度上表現(xiàn)為相干光源，但在脈沖

光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布上，光子數(shù)等于1的概率遠(yuǎn)大于光子數(shù)大于1的概率，在光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的測(cè)量和應(yīng)用

中可以作為單光子源使用。

5單光子源的性能表征

2

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5.1光子頻譜（或光譜）

單光子源的光子頻譜（或光譜）通常由一個(gè)頻譜（或光譜）光子亮度響應(yīng)度經(jīng)過標(biāo)定、動(dòng)態(tài)范圍覆

蓋單光子源光子亮度上限水平的頻譜（或光譜）儀來測(cè)定。

5.2光子空間分布

單光子源的光子空間分布通常由具有特定采集立體角的光子探測(cè)器在以光源為原點(diǎn)的4π（或2π）空

間內(nèi)不同方向上進(jìn)行掃描測(cè)量并進(jìn)行歸一化得到。

5.3光子通量

單光子源在特定幾何條件下和特定頻譜（或光譜）上的光子通量通?？稍谠搸缀螚l件下由量子效率

經(jīng)過標(biāo)定的頻譜（或光譜）選擇型光子探測(cè)器來測(cè)量表征。單光子源的總光子通量可通過光子頻譜（或

光譜）積分和4π（或2π）空間內(nèi)光子空間分布掃描測(cè)量得到。

5.4光子時(shí)域分布

單光子源出射光子的時(shí)域分布特性可利用具有時(shí)域分辨能力、量子效率為100%的光子探測(cè)器測(cè)量

得到。當(dāng)光子探測(cè)器的量子效率小于100%時(shí)，僅能得到單光子源光子時(shí)域分布的一個(gè)采樣。如果單光

子源具有確定的光子時(shí)域分布，可以通過多個(gè)采樣測(cè)量實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

5.5光子脈寬

單光子源光子脈寬通常以有效激勵(lì)時(shí)刻為參考統(tǒng)計(jì)光子發(fā)射的相對(duì)時(shí)域范圍，可采用具有時(shí)域分辨

能力的光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

5.6偏振度

單光子源出射光子在與出射方向垂直的平面內(nèi)的偏振特性，通?？梢酝ㄟ^比較兩個(gè)正交偏振分量的

單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)得到。

5.7單光子純度

單光子源的單光子純度可以通過光子數(shù)分辨探測(cè)器測(cè)量光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行表征，采用測(cè)量或應(yīng)用

的單元時(shí)間間隔內(nèi)光子數(shù)等于1的概率作為量化指標(biāo)；也可以通過HanburyBrown-Twiss（HBT）干涉實(shí)

驗(yàn)測(cè)量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行表征，采用干涉測(cè)量時(shí)差為0時(shí)的二階相干度作為單光子純度的量化指標(biāo)。

5.8相干長(zhǎng)度

單光子源發(fā)射的單光子能夠發(fā)生干涉的最大光程差，可通過Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀或者

Michelson干涉儀測(cè)得。

5.9光子全同度

單光子源的光子全同度，可通過Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表征，并采用HOM干涉可

見度作為光子全同度的量化指標(biāo)。

5.10單光子產(chǎn)率

單光子產(chǎn)率可以通過測(cè)量一定時(shí)間間隔內(nèi)的有效激勵(lì)的次數(shù)和光子通量進(jìn)行表征。

6儀器設(shè)備

3

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根據(jù)不同的單光子源類型，單光子源性能參數(shù)的測(cè)量?jī)x器設(shè)備會(huì)有所不同，但是均具有以下核心模

塊：

1)光子頻譜（或光譜）儀。通常需要標(biāo)定相對(duì)頻譜（或光譜）光子亮度響應(yīng)度、動(dòng)態(tài)范圍覆蓋單

光子源亮度上限水平。

2)光子探測(cè)器?？刹捎没诠怆姳对龉?、雪崩光電二極管、超導(dǎo)納米線的單光子探測(cè)器，也可以

采用以超導(dǎo)相變邊沿傳感器為例的光子數(shù)分辨探測(cè)器。光子探測(cè)器可與電學(xué)脈沖計(jì)數(shù)器等設(shè)備

或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)或統(tǒng)計(jì)；可與光機(jī)系統(tǒng)聯(lián)用實(shí)現(xiàn)空間特定幾何條件測(cè)量；可與示波器

等設(shè)備或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)時(shí)域分辨測(cè)量；可與頻譜（或光譜）選擇設(shè)備或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)頻譜（或

光譜）測(cè)量；可與偏振選擇設(shè)備或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)光子偏振度測(cè)量。當(dāng)需要對(duì)光子通量等參數(shù)進(jìn)

行絕對(duì)定標(biāo)時(shí)，通常需要對(duì)光子探測(cè)器的頻譜（或光譜）量子效率進(jìn)行標(biāo)定。

3)具有光子測(cè)量靈敏度的干涉儀，包括M-Z型、Michelson型、HBT型和HOM型干涉儀。單光子源

的相干長(zhǎng)度由M-Z或Michelson干涉儀測(cè)得，二階相干度由HBT干涉儀測(cè)得，光子全同度由HOM

干涉儀測(cè)得。M-Z、Michelson、HBT或HOM干涉儀通常包括一個(gè)或者兩個(gè)標(biāo)定頻譜（或光譜）

量子效率的光子探測(cè)器。

7測(cè)量方法

7.1光子頻譜（或光譜）

7.1.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子頻譜（或光譜）。

7.1.2測(cè)試設(shè)備

相對(duì)頻譜（或光譜）光子亮度響應(yīng)度經(jīng)過標(biāo)定、動(dòng)態(tài)范圍覆蓋單光子源亮度上限水平的頻譜（或光

譜）儀。頻譜（或光譜）儀的相對(duì)光子亮度響應(yīng)度RL(or)經(jīng)過頻譜（或光譜）輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)

定。

7.1.3測(cè)試步驟

應(yīng)按以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)將單光子源發(fā)射光子通過一定光學(xué)傳導(dǎo)途徑導(dǎo)入頻譜（或光譜）儀；

c)測(cè)量待測(cè)單光子源在頻譜（或光譜）儀上的響應(yīng)值；的輻射亮度，并換算成頻譜（或光譜）光

子亮度；

d)將頻譜（或光譜）儀所測(cè)得的響應(yīng)值和頻譜（或光譜）儀的相對(duì)光子亮度響應(yīng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得

到單光子源的光子頻譜（或光譜）。

7.1.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄被測(cè)單光子源的頻譜（或光譜）范圍，以及在該頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的相對(duì)頻譜

（或光譜）強(qiáng)度。

7.2光子空間分布

7.2.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子空間分布。

7.2.2測(cè)試設(shè)備

4

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具有特定采集立體角的光子探測(cè)器和4π（或2π）空間掃描系統(tǒng)。光子探測(cè)器耦合于空間掃描系

統(tǒng)，適用于對(duì)4π（或2π）空間內(nèi)不同立體角方向的光子探測(cè)。

7.2.3測(cè)試步驟

應(yīng)按以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子被具有特定采集立體角的光子探測(cè)器收集；

c)在4π（或2π）空間內(nèi)，調(diào)節(jié)空間掃描系統(tǒng)的方位角和仰角，采集不同空間方向上單光子源出

射的光子，并記錄光子探測(cè)器響應(yīng)值；

d)在不同的空間方向的采集立體角內(nèi)，對(duì)光子探測(cè)器測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行歸一化，得到4π（或2π）

空間內(nèi)的光子空間分布rel(θ,ω),其中θ和ω分別為球坐標(biāo)的方位角和仰角。

7.2.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄4π（或2π）空間內(nèi)不同空間方向上的光子空間分布rel(θ,ω)，其中θ和ω分別為

球坐標(biāo)的方位角和仰角。

7.3光子通量

7.3.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子通量。

7.3.2測(cè)試設(shè)備

量子效率經(jīng)過標(biāo)定，具有特定采集立體角的頻譜（或光譜）選擇型光子探測(cè)器。該光子探測(cè)器的

量子探測(cè)效率可溯源至低溫絕對(duì)輻射計(jì)或通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)光子對(duì)等方法標(biāo)定。

7.3.3測(cè)試步驟

應(yīng)按以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子被具有特定采集立體角的光子探測(cè)器收集；

c)記錄光子探測(cè)器測(cè)量得到的單位時(shí)間間隔內(nèi)的光子數(shù)響應(yīng)為d，則單光子源在空間特定方向的

特定采集立體角內(nèi)的特定頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量(or,,)可由公式(1)計(jì)

算得到：

(or,,)=d/(1)

d)單光子源在空間特定方向的特定采集立體角的全頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量S(,,)

可由公式(2)得到：

S(,,)=S(or,,)dord(2)

e)單光子源在4π（或2π）空間的特定頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量4or2(or)可由公式

(3)得到：

4or2

4or2(or)=(or,,)dd(3)

f)單光子源在4π（或2π）空間的全頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量S,4or2可由公式(4)得到：

4or2

S,4or2=S(or,,)/dd(dord)(4)

7.3.4測(cè)試報(bào)告

5

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根據(jù)不同的測(cè)試需求，測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄單光子源在空間特定方向的特定采集立體角內(nèi)的特定頻譜

（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量(or,,)，或單光子源在空間特定方向的特定采集立體角的全頻譜

（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量S(,,)，或單光子源在4π（或2π）空間的特定頻譜（或光譜）范

圍內(nèi)的光子通量4or2(or)，或S,4or2。

7.4光子時(shí)域分布

7.4.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子時(shí)域分布。

7.4.2測(cè)試設(shè)備

具有時(shí)域分辨能力的光子探測(cè)器。

7.4.3測(cè)試步驟

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子被具有時(shí)域分辨能力的光子探測(cè)器收集，設(shè)定采樣時(shí)間為T，記錄采樣時(shí)間

內(nèi)的探測(cè)器響應(yīng)；

c)通過多次重復(fù)采樣，測(cè)得采樣時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)響應(yīng)分布；

d)單光子源的光子時(shí)域分布的某個(gè)采樣即為采樣時(shí)間內(nèi)光子探測(cè)器測(cè)得的光子數(shù)響應(yīng)分布。

7.4.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄在采樣時(shí)間T內(nèi)，光子探測(cè)器在時(shí)域上記錄到的光子數(shù)響應(yīng)分布。

7.5光子脈寬

7.5.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子脈寬。

7.5.2測(cè)試設(shè)備

具有時(shí)域分辨能力的光子探測(cè)器，其時(shí)間分辨精度和時(shí)間抖動(dòng)等特性應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待測(cè)單光子源的光

子輻射弛豫時(shí)間。

7.5.3測(cè)試步驟

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子

b)單光子源發(fā)射光子被具有時(shí)域分辨能力的光子探測(cè)器收集；

c)以激勵(lì)源的有效激勵(lì)時(shí)刻T0為參考時(shí)間，統(tǒng)計(jì)具有時(shí)域分辨能力的光子探測(cè)器在參考時(shí)間后

的給定時(shí)間間隔τ內(nèi)的光子數(shù)響應(yīng)分布；

d)統(tǒng)計(jì)得到光子數(shù)響應(yīng)分布和參考時(shí)間T0的相對(duì)時(shí)域范圍，即為光子脈寬。

7.5.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄T0到T0+τ的時(shí)域范圍內(nèi)光子探測(cè)器記錄到的光子數(shù)響應(yīng)分布和參考時(shí)間T0的相對(duì)時(shí)

域范圍。

7.6偏振度

7.6.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的偏振度。

6

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7.6.2測(cè)試設(shè)備

偏振片和光子探測(cè)器。

7.6.3測(cè)試步驟

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子通過處于某一偏振方向的偏振片后被光子探測(cè)器記錄，測(cè)量給定時(shí)間間隔內(nèi)

的光子數(shù)為N+；

c)將偏振片旋轉(zhuǎn)到與之前正交的方向，再次測(cè)量給定時(shí)間間隔內(nèi)的光子數(shù)為N-；

d)單光子源偏振度Dp可以通過公式(5)計(jì)算得到

(5)

7.6.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄單光子源發(fā)射光子在給定時(shí)間間隔內(nèi)在兩個(gè)正交偏振分量上的光子數(shù)N+、N-，和單

光子源偏振度Dp。

7.7單光子純度

7.7.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的單光子純度。

7.7.2測(cè)試設(shè)備

單光子純度有兩種測(cè)試方法，分別用到不同的測(cè)量設(shè)備：

方法一：光子數(shù)統(tǒng)計(jì)法。測(cè)量設(shè)備為光子數(shù)分辨探測(cè)器。

方法二：HBT干涉實(shí)驗(yàn)法。測(cè)量設(shè)備為HBT干涉儀。

7.7.3測(cè)試步驟

方法一：光子數(shù)統(tǒng)計(jì)法

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子被光子數(shù)分辨探測(cè)器收集并進(jìn)行光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布測(cè)量；

c)統(tǒng)計(jì)測(cè)量或應(yīng)用的單元時(shí)間間隔內(nèi)單光子源出射光子數(shù)NE=1的概率，記為PN(NE=1)，作為單

光子純度的量化指標(biāo)；

d)當(dāng)光子數(shù)分辨探測(cè)器的量子效率=100%時(shí)，所測(cè)得的光子數(shù)響應(yīng)的量化結(jié)果ND=1的概率

PN(ND=1)=PN(NE=1)，即為單光子源的單光子純度；

e)當(dāng)光子數(shù)分辨探測(cè)器的量子效率<100%時(shí)，所測(cè)得的光子數(shù)響應(yīng)量化結(jié)果相當(dāng)于一個(gè)單光子源

出射光子的統(tǒng)計(jì)分布的采樣。在采樣數(shù)充足的前提下，所測(cè)得的光子數(shù)響應(yīng)量化結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分

布PN的類型與單光子源出射光子的統(tǒng)計(jì)分布類型近似，如果測(cè)得的光子數(shù)響應(yīng)量化結(jié)果的統(tǒng)計(jì)

分布為PN(ND,NAvg)，其中ND為非負(fù)整數(shù)、NAvg為光子數(shù)響應(yīng)量化結(jié)果的平均值，可推導(dǎo)得到

單光子源出射光子的統(tǒng)計(jì)分布為PN(NE,NAvg/)，其中NE為非負(fù)整數(shù)，則單光子純度為PN(NE=1,

NAvg/)。

方法二：HBT干涉實(shí)驗(yàn)法

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子經(jīng)過50/50分束器后，分別導(dǎo)入兩個(gè)光子探測(cè)器并計(jì)數(shù)；

7

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c)將兩個(gè)光子探測(cè)器（A和B）的響應(yīng)導(dǎo)入時(shí)間相關(guān)器，其中光子探測(cè)器B經(jīng)過時(shí)間為τ的延遲，

將時(shí)間相關(guān)器處理結(jié)果歸一化，得到光場(chǎng)的二階相干度，如公式(6)所示：

(2)ntnt12()(+)

g()=2(6)

nt1()

式中：

n1(t)——光子探測(cè)器A在t時(shí)刻記錄的光子數(shù)；

n2(t+)——光子探測(cè)器B在t+τ時(shí)刻記錄的光子數(shù)。

通過評(píng)估τ=0時(shí)刻的二階相干度g(2)(0)來評(píng)估單光子源的單光子純度。

在實(shí)際測(cè)量中，通常使用公式(7)來計(jì)算τ=0時(shí)刻的二階相干度g(2)(0)：

(7)

其中PC為光子探測(cè)器A和光子探測(cè)器B在τ=0時(shí)刻的符合計(jì)數(shù)的概率，PA和PB分別為光子探測(cè)

器A和光子探測(cè)器B在τ=0時(shí)刻記錄到光子響應(yīng)信號(hào)的概率。

單光子純度為100%的單光子源的g(2)(0)為0，通常g(2)(0)值越小，表示該光子源的單光子純度越高。

7.7.4測(cè)試報(bào)告

采用光子數(shù)統(tǒng)計(jì)法測(cè)量單光子純度，若光子數(shù)分辨探測(cè)器的量子效率=100%，測(cè)試報(bào)告中應(yīng)包括

單光子純度PN(NE=1)；若光子數(shù)分辨探測(cè)器的量子效率<100%，測(cè)試報(bào)告中應(yīng)包括光子數(shù)響應(yīng)量化結(jié)

果的統(tǒng)計(jì)分布PN(ND,NAvg)，光子探測(cè)器的量子效率，單光子源出射光子的統(tǒng)計(jì)分布PN(NE,NAvg/)，和

單光子純度PN(NE=1,NAvg/)；

采用HBT干涉實(shí)驗(yàn)法測(cè)量單光子純度，測(cè)試報(bào)告中應(yīng)包括光子探測(cè)器A和光子探測(cè)器B在τ=0時(shí)刻的

符合計(jì)數(shù)的概率PC，光子探測(cè)器A和光子探測(cè)器B在τ=0時(shí)刻分別記錄到光子響應(yīng)信號(hào)的概率PA、PB，τ=0

時(shí)刻的二階相干度g(2)(0)。

7.8相干長(zhǎng)度

7.8.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的相干長(zhǎng)度。

7.8.2測(cè)試設(shè)備

M-Z或者M(jìn)ichelson干涉儀。

7.8.3測(cè)試步驟

a）激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b）單光子源發(fā)射光子通過M-Z或者M(jìn)ichelson干涉儀的兩條路徑后再次重合形成干涉條紋；

c）按照兩個(gè)相反方向調(diào)節(jié)其中一條路徑的光程，兩次調(diào)節(jié)分別將干涉可見度從其最大值降至

50%，記錄兩次調(diào)節(jié)的光程差，即為相干長(zhǎng)度；

注：干涉可見度計(jì)算方法。干涉可見度VI的定義如下：兩條路徑相對(duì)相位差改變一個(gè)周期時(shí)，給

定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量到最大的光子數(shù)計(jì)為Nmax，最小的光子數(shù)計(jì)為Nmin，干涉可見度VI可由公式(8)

計(jì)算得到：

NNmax?min

VI=(8)

NNmax+min

8

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7.8.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄兩次光程調(diào)節(jié)的位置和光程差，及兩次光程調(diào)節(jié)位置處的干涉可見度。

7.9光子全同度

7.9.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子全同度。

7.9.2測(cè)試設(shè)備

HOM干涉儀。

7.9.3測(cè)試步驟

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)將單光子源發(fā)射光子通過50/50分束器分束后，分別導(dǎo)入兩個(gè)光子探測(cè)器并計(jì)數(shù)；

c)測(cè)量在兩個(gè)光路入射時(shí)間差Δτ下兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到光子的事件數(shù)Nc。

計(jì)算HOM可見度Vm，以表征光子全同度。Vm由公式(9)計(jì)算得到：

(9)

其中Δτdip為光子波包重疊處的干涉波谷寬度，為遠(yuǎn)離干涉波谷區(qū)域的同時(shí)探測(cè)到光子數(shù)

的事件數(shù)，為位于干涉波谷底部的同時(shí)探測(cè)到光子數(shù)的事件數(shù)。可見度取值在0到1之間，數(shù)值越

大，表示全同度越好。

7.9.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)包括HOM實(shí)驗(yàn)中在兩個(gè)光路入射時(shí)間差Δτ下兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到光子的事件數(shù)Nc，

及計(jì)算得到的HOM可見度Vm。

7.10單光子產(chǎn)率

7.10.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的單光子產(chǎn)率。

7.10.2測(cè)試設(shè)備

脈沖計(jì)數(shù)器和量子效率經(jīng)過標(biāo)定，具有特定采集立體角的頻譜（或光譜）選擇型光子探測(cè)器。

7.10.3測(cè)試步驟

d)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

e)通過脈沖計(jì)數(shù)器測(cè)量給定時(shí)間間隔內(nèi)的有效激勵(lì)次數(shù)Nt；

f)按照7.3小節(jié)的方法測(cè)量給定時(shí)間間隔內(nèi)單光子源的總光子通量，并換算成總光子數(shù)Np；

g)按公式（10），計(jì)算單光子產(chǎn)率ηy：

(10)

7.10.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)包括給定時(shí)間間隔內(nèi)的有效激勵(lì)次數(shù)Nt，單光子源發(fā)射的總光子數(shù)Np，和單光子產(chǎn)率ηy。

9

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10

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目次

前言............................................................................II

1范圍..................................................................................................................................................................1

2規(guī)范性引用文件..............................................................................................................................................1

3術(shù)語和定義......................................................................................................................................................1

4單光子源的分類..............................................................................................................................................2

4.1確定性單光子源.......................................................................................................................................2

4.2概率性單光子源.......................................................................................................................................2

4.3準(zhǔn)單光子源...............................................................................................................................................2

5單光子源的性能表征......................................................................................................................................2

5.1光子頻譜（或光譜）...............................................................................................................................3

5.2光子空間分布...........................................................................................................................................3

5.3光子通量...................................................................................................................................................3

5.4光子時(shí)域分布...........................................................................................................................................3

5.5光子脈寬...................................................................................................................................................3

5.6偏振度.......................................................................................................................................................3

5.7單光子純度...............................................................................................................................................3

5.8相干長(zhǎng)度...................................................................................................................................................3

5.9光子全同度...............................................................................................................................................3

5.10單光子產(chǎn)率.............................................................................................................................................3

6儀器設(shè)備..........................................................................................................................................................3

7測(cè)量方法..........................................................................................................................................................4

7.1光子頻譜（或光譜）...............................................................................................................................4

7.2光子空間分布...........................................................................................................................................4

7.3光子通量...................................................................................................................................................5

7.4光子時(shí)域分布...........................................................................................................................................6

7.5光子脈寬...................................................................................................................................................6

7.6偏振度.......................................................................................................................................................6

7.7單光子純度...............................................................................................................................................7

7.8相干長(zhǎng)度...................................................................................................................................................8

7.9光子全同度...............................................................................................................................................9

7.10單光子產(chǎn)率.............................................................................................................................................9

I

GB/TXXXXX—XXXX

單光子源性能表征及測(cè)量方法

1范圍

本文件規(guī)定了表征單光子源性能的參數(shù)和測(cè)量方法。

本文件適用于單光子源的性能評(píng)價(jià)和測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB3102.6-93光及有關(guān)電磁輻射的量和單位

JJF1032-2005光學(xué)輻射計(jì)量名詞術(shù)語及定義

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

單光子源single-photonsource

在測(cè)量或應(yīng)用的單元時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射光子數(shù)目等于1的概率為100%的光源。

3.2

光子通量photonflux,p

在單位時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的光子數(shù)。

3.3

光子頻譜（或光子光譜）photonspectrum

光子亮度、光子通量、光子強(qiáng)度、光子照度等特性在不同頻率（或真空波長(zhǎng)）上的相對(duì)密集度。

3.4

光子譜寬photonspectrallinewidth

光子頻譜（或光譜）的范圍，可用光子頻譜（或光譜）的半高全寬表示。

3.5

光子空間分布photonspatialdistribution

以光源為原點(diǎn)的空間不同方向上單元立體角內(nèi)的光子通量密集度。

3.6

1

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光子時(shí)域分布photontemporaldistribution

光子通量在時(shí)域上的密集度。

3.7

光子脈寬photonpulsewidth

相對(duì)于有效激勵(lì)時(shí)刻的光子發(fā)射時(shí)域范圍。

3.8

單光子純度single-photonpurity

光源在測(cè)量或應(yīng)用的單元時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射光子數(shù)目等于1的概率。

3.9

光子全同度photonindistinguishability

任意兩個(gè)光子模態(tài)的不可區(qū)分程度，一般稱為光子全同度。

3.10

單光子產(chǎn)率single-photonyieldingefficiency

在受到一次有效激勵(lì)時(shí)，光源發(fā)射出一個(gè)單光子的概率。

4單光子源的分類

4.1確定性單光子源

可在未來任意指定時(shí)刻作為單光子源的光源?？衫么_定的脈沖光、電、磁等方式對(duì)單原子、單離

子、單分子、單量子點(diǎn)或單缺陷等量子系統(tǒng)進(jìn)行有效激勵(lì)而實(shí)現(xiàn)。在確定激勵(lì)條件下，單光子的發(fā)射確

定會(huì)在激勵(lì)之后的特定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。

4.2概率性單光子源

無法在未來任意指定時(shí)刻作為單光子源、通過光子發(fā)射時(shí)的關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象可確定哪些時(shí)刻作為單光

子源的光源。通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換、四波混頻等方式產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)非局域關(guān)聯(lián)共軛光路

中的其中一路進(jìn)行單光子純度檢測(cè)，確定該路具有單光子源特性的時(shí)刻，從而確定另一路可以作為單光

子源的時(shí)刻。這一類單光子源又可被稱為預(yù)報(bào)式單光子源（Heraldedsingle-photonsource）。

4.3準(zhǔn)單光子源

性能不完全符合但接近單光子源、可在測(cè)量或應(yīng)用中代替單光子源使用的光源。

注1：脈沖平均光子數(shù)衰減到遠(yuǎn)小于1的脈沖激光光源，在二階相干度上表現(xiàn)為相干光源，但在脈沖

光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布上，光子數(shù)等于1的概率遠(yuǎn)大于光子數(shù)大于1的概率，在光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的測(cè)量和應(yīng)用

中可以作為單光子源使用。

5單光子源的性能表征

2

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5.1光子頻譜（或光譜）

單光子源的光子頻譜（或光譜）通常由一個(gè)頻譜（或光譜）光子亮度響應(yīng)度經(jīng)過標(biāo)定、動(dòng)態(tài)范圍覆

蓋單光子源光子亮度上限水平的頻譜（或光譜）儀來測(cè)定。

5.2光子空間分布

單光子源的光子空間分布通常由具有特定采集立體角的光子探測(cè)器在以光源為原點(diǎn)的4π（或2π）空

間內(nèi)不同方向上進(jìn)行掃描測(cè)量并進(jìn)行歸一化得到。

5.3光子通量

單光子源在特定幾何條件下和特定頻譜（或光譜）上的光子通量通?？稍谠搸缀螚l件下由量子效率

經(jīng)過標(biāo)定的頻譜（或光譜）選擇型光子探測(cè)器來測(cè)量表征。單光子源的總光子通量可通過光子頻譜（或

光譜）積分和4π（或2π）空間內(nèi)光子空間分布掃描測(cè)量得到。

5.4光子時(shí)域分布

單光子源出射光子的時(shí)域分布特性可利用具有時(shí)域分辨能力、量子效率為100%的光子探測(cè)器測(cè)量

得到。當(dāng)光子探測(cè)器的量子效率小于100%時(shí)，僅能得到單光子源光子時(shí)域分布的一個(gè)采樣。如果單光

子源具有確定的光子時(shí)域分布，可以通過多個(gè)采樣測(cè)量實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

5.5光子脈寬

單光子源光子脈寬通常以有效激勵(lì)時(shí)刻為參考統(tǒng)計(jì)光子發(fā)射的相對(duì)時(shí)域范圍，可采用具有時(shí)域分辨

能力的光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

5.6偏振度

單光子源出射光子在與出射方向垂直的平面內(nèi)的偏振特性，通?？梢酝ㄟ^比較兩個(gè)正交偏振分量的

單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)得到。

5.7單光子純度

單光子源的單光子純度可以通過光子數(shù)分辨探測(cè)器測(cè)量光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行表征，采用測(cè)量或應(yīng)用

的單元時(shí)間間隔內(nèi)光子數(shù)等于1的概率作為量化指標(biāo)；也可以通過HanburyBrown-Twiss（HBT）干涉實(shí)

驗(yàn)測(cè)量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行表征，采用干涉測(cè)量時(shí)差為0時(shí)的二階相干度作為單光子純度的量化指標(biāo)。

5.8相干長(zhǎng)度

單光子源發(fā)射的單光子能夠發(fā)生干涉的最大光程差，可通過Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀或者

Michelson干涉儀測(cè)得。

5.9光子全同度

單光子源的光子全同度，可通過Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表征，并采用HOM干涉可

見度作為光子全同度的量化指標(biāo)。

5.10單光子產(chǎn)率

單光子產(chǎn)率可以通過測(cè)量一定時(shí)間間隔內(nèi)的有效激勵(lì)的次數(shù)和光子通量進(jìn)行表征。

6儀器設(shè)備

3

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根據(jù)不同的單光子源類型，單光子源性能參數(shù)的測(cè)量?jī)x器設(shè)備會(huì)有所不同，但是均具有以下核心模

塊：

1)光子頻譜（或光譜）儀。通常需要標(biāo)定相對(duì)頻譜（或光譜）光子亮度響應(yīng)度、動(dòng)態(tài)范圍覆蓋單

光子源亮度上限水平。

2)光子探測(cè)器?？刹捎没诠怆姳对龉堋⒀┍拦怆姸O管、超導(dǎo)納米線的單光子探測(cè)器，也可以

采用以超導(dǎo)相變邊沿傳感器為例的光子數(shù)分辨探測(cè)器。光子探測(cè)器可與電學(xué)脈沖計(jì)數(shù)器等設(shè)備

或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)或統(tǒng)計(jì)；可與光機(jī)系統(tǒng)聯(lián)用實(shí)現(xiàn)空間特定幾何條件測(cè)量；可與示波器

等設(shè)備或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)時(shí)域分辨測(cè)量；可與頻譜（或光譜）選擇設(shè)備或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)頻譜（或

光譜）測(cè)量；可與偏振選擇設(shè)備或器件聯(lián)用實(shí)現(xiàn)光子偏振度測(cè)量。當(dāng)需要對(duì)光子通量等參數(shù)進(jìn)

行絕對(duì)定標(biāo)時(shí)，通常需要對(duì)光子探測(cè)器的頻譜（或光譜）量子效率進(jìn)行標(biāo)定。

3)具有光子測(cè)量靈敏度的干涉儀，包括M-Z型、Michelson型、HBT型和HOM型干涉儀。單光子源

的相干長(zhǎng)度由M-Z或Michelson干涉儀測(cè)得，二階相干度由HBT干涉儀測(cè)得，光子全同度由HOM

干涉儀測(cè)得。M-Z、Michelson、HBT或HOM干涉儀通常包括一個(gè)或者兩個(gè)標(biāo)定頻譜（或光譜）

量子效率的光子探測(cè)器。

7測(cè)量方法

7.1光子頻譜（或光譜）

7.1.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子頻譜（或光譜）。

7.1.2測(cè)試設(shè)備

相對(duì)頻譜（或光譜）光子亮度響應(yīng)度經(jīng)過標(biāo)定、動(dòng)態(tài)范圍覆蓋單光子源亮度上限水平的頻譜（或光

譜）儀。頻譜（或光譜）儀的相對(duì)光子亮度響應(yīng)度RL(or)經(jīng)過頻譜（或光譜）輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)

定。

7.1.3測(cè)試步驟

應(yīng)按以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)將單光子源發(fā)射光子通過一定光學(xué)傳導(dǎo)途徑導(dǎo)入頻譜（或光譜）儀；

c)測(cè)量待測(cè)單光子源在頻譜（或光譜）儀上的響應(yīng)值；的輻射亮度，并換算成頻譜（或光譜）光

子亮度；

d)將頻譜（或光譜）儀所測(cè)得的響應(yīng)值和頻譜（或光譜）儀的相對(duì)光子亮度響應(yīng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得

到單光子源的光子頻譜（或光譜）。

7.1.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄被測(cè)單光子源的頻譜（或光譜）范圍，以及在該頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的相對(duì)頻譜

（或光譜）強(qiáng)度。

7.2光子空間分布

7.2.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子空間分布。

7.2.2測(cè)試設(shè)備

4

GB/TXXXXX—XXXX

具有特定采集立體角的光子探測(cè)器和4π（或2π）空間掃描系統(tǒng)。光子探測(cè)器耦合于空間掃描系

統(tǒng)，適用于對(duì)4π（或2π）空間內(nèi)不同立體角方向的光子探測(cè)。

7.2.3測(cè)試步驟

應(yīng)按以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子被具有特定采集立體角的光子探測(cè)器收集；

c)在4π（或2π）空間內(nèi)，調(diào)節(jié)空間掃描系統(tǒng)的方位角和仰角，采集不同空間方向上單光子源出

射的光子，并記錄光子探測(cè)器響應(yīng)值；

d)在不同的空間方向的采集立體角內(nèi)，對(duì)光子探測(cè)器測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行歸一化，得到4π（或2π）

空間內(nèi)的光子空間分布rel(θ,ω),其中θ和ω分別為球坐標(biāo)的方位角和仰角。

7.2.4測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)記錄4π（或2π）空間內(nèi)不同空間方向上的光子空間分布rel(θ,ω)，其中θ和ω分別為

球坐標(biāo)的方位角和仰角。

7.3光子通量

7.3.1測(cè)試目的

測(cè)試單光子源的光子通量。

7.3.2測(cè)試設(shè)備

量子效率經(jīng)過標(biāo)定，具有特定采集立體角的頻譜（或光譜）選擇型光子探測(cè)器。該光子探測(cè)器的

量子探測(cè)效率可溯源至低溫絕對(duì)輻射計(jì)或通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)光子對(duì)等方法標(biāo)定。

7.3.3測(cè)試步驟

應(yīng)按以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

a)激勵(lì)單光子源產(chǎn)生光子；

b)單光子源發(fā)射光子被具有特定采集立體角的光子探測(cè)器收集；

c)記錄光子探測(cè)器測(cè)量得到的單位時(shí)間間隔內(nèi)的光子數(shù)響應(yīng)為d，則單光子源在空間特定方向的

特定采集立體角內(nèi)的特定頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量(or,,)可由公式(1)計(jì)

算得到：

(or,,)=d/(1)

d)單光子源在空間特定方向的特定采集立體角的全頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量S(,,)

可由公式(2)得到：

S(,,)=S(or,,)dord(2)

e)單光子源在4π（或2π）空間的特定頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量4or2(or)可由公式

(3)得到：

4or2

4or2(or)=(or,,)dd(3)

f)單光子源在4π（或2π）空間的全頻譜（或光譜）范圍內(nèi)的光子通量S,4or2可由公式(4)得到：

4or2

S,4or2=S(or,,)/d