捕捉光的量子态：单光子信号验证实验揭秘

01 背景介绍

在现代量子技术领域，单光子作为量子信息的最小载体，其精准操控与探测技术已成为量子通信网络建设、量子计算机研发、超灵敏量子传感等前沿领域的核心基石。

特别是在高校量子力学教学实践中，如何突破传统实验设备的性能局限，打通量子理论教学与实验验证的“最后一公里”，构建直观可靠的单光子观测系统，成为推动量子技术普及的关键环节！

某量子测控公司是一家专注于量子教学科普与高端精密仪器的高科技企业，致力于推动量子教学仪器与高精尖设备的自主化与国产化。为了丰富高校量子实验教学，他们推出了一款共聚焦单光子探测仪，旨在通过精准的单光子信号验证，让量子技术走进课堂。

由于该客户的数据事例率频率为60kHz-80kHz，采用传统示波器方案存在海量数据处理瓶颈、多通道同步精度不足、设备集成度低等痛点，中科采象依托自主研发的量子级数据采集系统，实现了突破性创新，为单光子探测提供了高效、精准的解决方案。

02 解决方案

针对单光子计数测量技术中的信号采集与数据存储需求，中科采象提供的高性能单光子技术测量解决方案具备高速、高精度、高同步性及便携化等特点，全面适应实验与教学的需求：

高速高精度采集：采用四通道1GSPS采样率、16-bit分辨率的数字化仪，独立接收两个APD的上升沿信号，精准记录光子到达的绝对时间（光子事件）。

纳秒级死时间：每个通道的死时间小于1ns，确保高效捕捉连续光子事件，避免信号遗漏。

高同步精度：通道间同步精度高达10ps，满足多通道信号的精确同步采集需求。

超高时间分辨率：时间分辨率＜10ps，可清晰分辨光子到达的先后顺序或同时性，为判定单光子发射特性提供关键支持。

模块化设计：数字化仪与机箱采用小型化设计，便于携带和部署，满足教学系统的灵活使用需求。

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此外，为满足单光子探测仪在暗箱体积限制下的便携式教学需求，中科采象采用小型化PXIe两槽机箱设计，结合雷电接口技术，可直接连接笔记本电脑进行数据采集与操作。这一设计不仅大幅缩小了设备体积，还实现了教学系统的高度便携化，方便在实验室、课堂等多种场景中灵活部署与使用。

图1 单光子数据测量采集系统

图2 客户现场使用图

03 方案优势

相较于常规示波器方案，中科采象推出的高性能单光子技术测量解决方案，具备小型化设计、高信噪比、高采集精度、高时间分辨率（＜10ps）、宽动态范围以及高效数据传输等优势，有效满足单光子探测的高性能需求。

图3 中科采象方案 vs 常规示波器：性能对比

04

应用成效

某量子测控公司采用中科采象的高性能采集系统，成功验证了单光子信号特征，直接证明了共聚焦单光子探测仪的成功研制。这一成果为该公司教学实验系统的研发带来了突破性进展，推动了量子技术在教学与科研中的实际应用。

图4 使用客户反馈的测试结果

上图展示了客户使用中科采象采集系统采集的数据，并通过二阶关联函数算法生成的拟合图（定义x轴最小变化量：Δ=10ps）。该算法的本质是将τ时间内采集的N1×N2个离散τ值绘制成关于时间的直方图（histogram），纵坐标表示符合计数。可以形象地理解为将N1×N2个小球放入盒子中，观察小球的分布情况，可能存在某些盒子可能装满了小球，而另一些盒子可能为空。

通过大量数据采集与计算，单光子源背后的物理规律得以揭示。统计学的核心理念正是通过分析小样本数据来推断整体群体的信息。使用单光子探测器与高速数字化仪收集信号，并根据其二阶关联函数 G(2)(τ)判断是否为单光子信号。单光子信号的一个重要特征是其在τ= 0 处呈现明显的凹陷，且G(2)(τ)在归一化之后小于0.4（论证值＜0.5），这一特征在拟合图中清晰可见，验证了单光子信号的存在及其统计特性。

随着我国量子科技"十四五"规划全面推进，未来，中科采象将持续以数据采集技术创新为支点，在量子精密测量、量子网络建设、量子计算验证等关键领域提供核心数据支撑，助力构建自主可控的量子科技产业生态。