量子纠缠光源性能表征和测试方法

量子信息网络产业联盟标准QIIA/T002-2025 量子纠缠光源性能表征和测试方法 Methods to characterize and measurequantumentanglementsources 目次 1范围................................................................................12规范性引用文件......................................................................13术语和定义..........................................................................14缩略语..............................................................................15量子纠缠光源的分类..................................................................2量子纠缠光源概述................................................................2SPDC纠缠光源...................................................................2SFWM纠缠光源..................................................................2量子点纠缠光源..................................................................26量子纠缠光源的性能表征..............................................................2符合计数率、偶然符合计数率和符合-偶然符合计数比..................................2单光子产生率....................................................................3宣布式单光子源的宣布效率........................................................3单光子纯度......................................................................3单光子模式纯度..................................................................4光子全同性（HOM干涉可见度）...................................................4不同自由度量子纠缠的性能表征....................................................47测试方法............................................................................7符合计数率、偶然符合计数率和符合-偶然符合计数比..................................7单光子产生率....................................................................7宣布式单光子源的宣布效率........................................................8单光子纯度......................................................................9单光子模式纯度..................................................................9光子全同性（HOM干涉可见度）..................................................10纠缠参数.......................................................................10 前言 本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由量子信息网络产业联盟（QIIA）提出并归口。 本文件起草单位：电子科技大学、军事科学院系统工程研究院、国家信息光电子创新中心、中国信息通信研究院、正则量子(北京)技术有限公司 本文件主要起草人：周强、范云茹、、付在明、郭凯、华昕、张萌、赖俊森、黄蕾蕾 量子纠缠光源性能表征和测试方法 1范围 本文件规范了量子纠缠光源性能表征和测试方法。本文件适用于量子纠缠光源的研发、应用和测试验证等工作。 2规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T43737-2024量子测量术语 3术语和定义 GB/T43737-2024界定的术语和定义适用于本文件。 4缩略语 下列缩略语适用于本文件。 BS：分束器（Beamsplitter）CAR：符合-偶然符合计数比（Coincidence-to-accidental ratio）DWDM：密集波分复用器（Dense wavelength division multiplexer）HBT：汉伯里·布朗-特威斯（Hanbury-Brown and Twiss）HOM：洪-区泽宇-曼德尔（Hong-Ou-Mandel）HWP：半波片（Half-waveplate）NV：氮空位（Nitrogenvacancy）P：偏振器（Polarizer）PC：偏振控制器（Polarizationcontroller）PD：光电探测器（Photo detector）PM：功率计（Power meter）SFWM：自发四波混频（Spontaneous four wave mixing）SNW：纳米硅波导（Silicon nano waveguide）SPD：单光子探测器（Single photon detector）SPDC：自发参量下转换（Spontaneous parametric down conversion）TDC：时间-数字转换器（Time to digital converter）UMZI：非平衡马赫-曾德尔干涉仪（Unbalanced Mach-Zehnderinterferometer）VOA：可调光衰减器（Variable optical attenuator）VODL：可调光学延时线（Variable optical delay line） 5量子纠缠光源的分类 量子纠缠光源概述 制备纠缠光源（Entangledphoton sources）方法主要有三种：一是基于二阶非线性光学材料利用自发参量下转换（Spontaneous parametric down conversion，SPDC）过程进行制备；二是基于三阶非线性光学材料利用自发四波混频（Spontaneous four wave mixing，SFWM）过程进行制备，三是基于量子点（Quantumdot）、氮空位（Nitrogenvacancy，NV）色心等半导体材料的光激子过程进行纠缠光源的制备。 SPDC纠缠光源 SPDC纠缠光源利用二阶非线性效应制备纠缠源，当一个光子（泵浦光子）在非线性介质中传输时，由于非线性效应分裂成一对频率较低的光子（信号光子和闲频光子）。泵浦光子到信号光子、闲频光子的转换满足能量守恒和动量守恒定律。SPDC过程包括多种类型，通常是基于泵浦光、信号光和闲频光的偏振方向来划分。如果泵浦光、信号光和闲频光具有相同的偏振方向，则为type-0型SPDC过程，如果信号光和闲频光具有相同的偏振方向而与泵浦光垂直，则该SPDC过程为type-I型SPDC过程，如果信号光和闲频光具有相互垂直的偏振方向，则为type-II型SPDC过程。 SFWM纠缠光源 四波混频过程是一种常见的三阶非线性过程。在满足相位匹配条件的情况下通过四波混频过程可以实现三至四个不同模式的光场之间的能量耦合。在相互作用过程中一个或几个模式中的光子湮灭，同时在另外几个不同模式内产生新的光子，该过程满足能量守恒和动量守恒条件。比如，频率为和的光子湮灭，同时产生频率为和的光子。如果没有频率为和的光注入相互作用介质，则上述四波混频过程可以通过频率视为频率为和的光场与处于真空态的频率为和的光场发生相互作用，即整个过程在真空态的量子涨落诱导下自发发生。同时，如果产生的频率为和的光功率处于单光子水平，不足以引起任何受激辐射效应，则可以将上述过程被称为自发四波混频过程。 量子点纠缠光源 基于半导体材料的量子点（或其它辐射子，如NV色心）纠缠光源通过双光子激发过程共振填充双激子状态，并通过双激子-激子-基态级联进行辐射衰变，发射纠缠光子对。量子点纠缠光源具备高精度、高纠缠度、良好的可重复性和可扩展性等特点；同时由于半导体量子点材料可嵌入光子结构，故可以很好的应用于光纤网络中产生纠缠光源。基于量子点的纠缠光源通常需要在低温环境下制备使用，基于NV色心的纠缠光源可在常温环境下使用。 6量子纠缠光源的性能表征 符合计数率、偶然符合计数率和符合-偶然符合计数比 符合计数是指由同一泵浦光子产生的信号光和闲频光同时被单光子探测器（Single photon detector，SPD）探测到，其值为在设定门宽和累计时间下的双光子符合计数。偶然符合计数是指由不同泵浦光子产生的信号光和闲频光同时被SPD探测到，其值为在设定门宽和累计时间下延时远离符合中心时的随机符合。符合-偶然符合计数比（Coincidence-to-accidental ratio，CAR）是评估关联光子对性能的一种有效手段。在数学上定义为有效符合的大小与延迟远离符合中心的随机符合大小的比值，其定义和依赖的参数如下： 其中，代表符合计数率，代表偶然符合计数率。 单光子产生率 单光子产生率定义为单位泵浦功率下每个通道单位时间内产生的光子数。测量过程需要对光子的产生过程进行系统的表征。输出的光子数与系统各参数的关系表达式如下： 其中，为输出的光子数，是光子的符合计数率，、分别为信号和闲频光的滤波效率和传输效率，、分别为信号和闲频光探测器的探测效率。 宣布式单光子源的宣布效率 宣布式单光子源是关联光子对的重要应用之一，在保证单光子输出的同时可以大大降低空脉冲的几率，在量子信息技术领域具有重要的应用价值。基于自发非线性过程的宣布式单光子源利用关联光子对的量子关联特性，通过探测关联光子对中的其中一个光子（比如闲频光子），将输出的电信号作为触发信号宣布另一个光子（比如信号光子）的产生。 宣布效率是指当给出宣布电信号时存在光子输出的几率。对于理想的宣布式单光子源，宣布效率应为1，即，在每个宣布电信号下都有光子输出。制备的闲频/信号光子直接输入到单光子探测器中作为宣布电信号，信号/闲频光子通过50/50的分束器（Beam splitter，BS）分别输入到两个单光子探测器中进行探测，宣布式单光子源宣布效率的计算表达式为： 其中为探测到的宣布信号计数率；、为BS