2026-04-10
文章来源：富泰科技
德国Paderborn University的研究者提出了一种基于单光子探测器到达时间分析来实现光子数分辨（PNR, photon number resolving）的方法。该方法展示了在低系统抖动和理想的脉冲条件下，利用商业 SNSPD 通过到达时间直方图即可获得不同光子数事件的清晰区分，为光量子计算，量子通信，量子光学等应用，提供光子数分辨的“眼睛”。
该研究指出：
▪ Gaussian 时间形状的光脉冲比带通滤波脉冲产生更清晰的到达时间直方图，从而更精确地分辨光子数。
▪ 当脉冲持续时间与系统抖动分量相当时，1–3 个光子事件可稳定分辨；60 ps 以上脉冲时长会显著降低区分度。
▪ 用指数修正高斯分布（EMG）模型拟合到达时间数据，比简单 Gaussian 模型更准确地估计误判概率。
▪ 最终通过重构检测器的 POVM（正算符值测量） 证明了这种方法的本征多光子分辨能力。
这意味着：有望用单一 SNSPD + 精密时间测量实现实用的光子数分辨，而不需要复杂的空间复用阵列或多通道读出。
实验配置 & 核心原理
图1. 实验装置：脉冲激光器发出的激光，由EOM实现高消光比脉冲挑选，可编程光学处理器用于调控脉冲的是脉宽和形状，SNSPD：Single Quantum的19 ps FWHM抖动SNSPD；Time Tagger：Swabian Instruments的Time Tagger X，1.5 ps 或2 ps标准差抖动。
核心原理：到达时间做单变量分析
研究中使用了如下核心测量流程：
📍 到达时间（arrival time）
▪ 对每次激光触发与 SNSPD 上升沿之间的时间差进行统计。
▪ 形成高精度的到达时间直方图，不同光子数事件在时间上形成多个可区分峰。
📍 拟合模型与统计分析
▪ 用 EMG 分布叠加模型（指数修正高斯 + 泊松加权）拟合整体直方图。
▪ 每个 n 光子峰由平均到达时间 μn 和宽度 σn 表征。
▪ 利用峰间交叠和误判概率估计为光子数分配唯一标签。
📍 抖动与分辨界限
▪ 时间抖动决定最小可分辨峰间间隔；
▪ Single Quantum的19 ps FWHM SNSPD；
▪ Swabian Instruments的1.5 ps Time Tagger X；
▪ 可编程光波处理器：脉宽控制和整形
图2.（a）到达时间直方图的总和（黑色实线）及其基于指数修正高斯分布的拟合结果（绿色虚线及彩色实线）（b）到达时间直方图的总和（黑色实线）及其基于泊松统计加权的高斯分布总和的拟合结果（红色虚线）。
Single Quantum低时间抖动SNSPD
▪ 低至>15 ps FWHM时间抖动
▪ 低至＞1 cps暗计数
▪ 探测效率>85%
▪ >95% SDE探测器
▪ 空间复用Interleaved PNR探测器
Swabian Instruments低时间抖动Time Tagger X
▪ 低至1.5 ps（σ）时间抖动
▪ 20个通道，可扩展至160（配合同步器）
▪ 支持符合，门控，延时等功能
▪ 时间戳数据可灵活保存和后期处理
Santec可编程光波处理器WSS-2000
▪ 生成可任意编辑的波形及脉冲整形
▪ 基于LCOS 的高分辨率波长和频带可控。
▪ 波长・频带设定分辨率：0.78 GHz
▪ 出色的光学滤波，边缘更为陡峭：400 dB/nm(典型值)
▪ 可选相位设置，群延迟，色散控制等相位控制功能
Active Technologies脉冲发生器
▪ 70 ps上升沿
▪ 5 Vpp输出电压范围
▪ 双通道/四通道可选
▪ 最小脉冲宽度300 ps
▪ SimpleRiderTM touch User Interface
参考资料：
1. Timon Schapeler, Isabell Mischke, Fabian Schlue, Michael Stefszky, Benjamin Brecht, Christine Silberhorn, Tim J. Bartley; Practical considerations for assignment of photon numbers with SNSPDs. APL Quantum 1 March 2026; 3 (1): 016102.
https://doi.org/10.1063/5.0304127
2. https://www.singlequantum.com/
