基于弱信号检测的单光子探测及操纵研究

摘要

弱光子流的探测是弱信号检测领域中的重要科学和技术问题。尤其是，单光子水平上的弱光子流探测、单光子源制备及单光子操纵等，不但涉及到量子力学基本原理的验证，而且在光量子信息处理、引力波和轴子暗物质的探测等方面都有着非常重要的应用。
　　我们知道，获得单光子辐射的途径有很多;普通的相干光通过功率衰减就可以获得非严格意义下的单光子流;但真正的单光子辐射应该是通过激发单个原子如人工量子点等微观方式才能得到严格意义上的单光子源。论文首先在利用泵浦非线性晶体下转换过程产生的纠缠光子对作为宣布式单光子源的制备上展开了尝试。尽管这也不是一种严格意义的单光子源产生（其单光子特性依赖于宣布效率），但对简单的量子力学原理验证和单光子探测器测试工作而言，仍是有意义的。实际上，利用泵浦非线性晶体下转换过程产生的纠缠光子的探测和操纵这一实验平台，可以进行基于光子纠缠特性的量子力学基本原理，如非局域关联性的直接检验。首先，我们利用该平台上的小型光子纠缠源在实验上验证了CHSH型Bell不等式的违背。鉴于该商用纠缠源产生的光子纠缠态不是理想的量子纯态，因此利用基于纯态假设测量基验证方法所得到的Bell函数值仅为S=2.100±0.016。这一实验结果也违背了定域性Bell不等式的预言，但离理论值上的最大违背值2√2仍有一定的差距。为改进这一实验结果，我们利用量子态的Tomography方式重构了该光子纠缠态的密度矩阵（结果证实了该光子纠缠态的确不是量子纯态）。基于此，我们放弃了纯态假定的验证方案，建立了基于光子混合纠缠态的量子非局域关联验证的新方案，即通过测量基的优化，在最佳测量基下我们获得了较纯态测量基更大的Bell不等式违背，其Bell函数值达到S=2.772±0.063，从而在很高的可信度上与理论一致。基于这一思想，我们进一步进行了Hardy型无不等式Bell定理的实验验证，实现了梯度高达1000的Hardy型Bell定理的实验验证，结果与量子力学理论的预言非常吻合。
　　低温超导探测器是高量子效率单光子探测的重要实现方式。尤其是工作温度在1K以下的低温超导探测器，由于其极小的噪声、极高的探测灵敏度在近年引起了人们极大关注。本论文中主要介绍我们在超导转变边界光子探测器(TES)和超导谐振器光子探测器这两方面的工作。前者利用工作在超导转变温度附近的超导薄膜对入射光子导致的环境温度变化引起的线路阻抗变化来实现单光子探测;后者的工作原理则是，入射光子信号破坏超导体内的库珀对产生一定数量的准粒子，而这些准粒子会改变超导谐振器的动态电感从而引起可检测的谐振器性传输特性（如共振频率和位相移动）的变化。在TES光子探测器方面，我们制备了多片钨超导薄膜TES样品，并对其超导转变温度进行了测量和分析;利用实验室的稀释制冷机平台，我们搭建了器件样品的R-T曲线四端子测量电路，为下一步的实验奠定了基础。在超导谐振器单光子探测方面，我们在实验室已有四分之一波长超导谐振器实验研究的基础上，完成了IQ线路的搭建，实现了从频域信号读取升级为时域信号的测量。在完成样品测量线路相关噪声测试的基础上，我们利用这套线路实现了超导谐振器对弱光信号的时域响应，实现了1550nm光子数可分辨的弱光信号探测。此探测器理论上工作波段涵盖从亚毫米波到X射线范围内的很宽频带，从而为未来实现轴子暗物质、宇宙微波背景辐射、核辐射和引力波的灵敏探测等重大科学前沿领域的研究提供可靠的技术保障。
　　本论文的最后一个工作是我们关于利用原子相干操纵实现光子聚束的探索。我们发现，当腔和原子处于大失谐耦合状态时，通过调节腔中原子的叠加特性，可以使腔中光子以很高的二阶关联群聚起来。这表明，通过控制腔中原子态叠加特性，可以实现腔中光场的操控。本章所采用的模型是相当普适的，所以即可以应用于可见光也可以应用于微波波段的光子操纵。
　　在论文的最后对我们进行了总结，并对后续工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 单光子源和纠缠光子对

1．2 量子非局域性

1．2．1 CHSH型Bell不等式

1．2．2 Hardy定理

1．3 低温超导探测器的发展现状及应用

1．3．1 毫米波和亚毫米波探测

1．3．2 近红外及可见光探测

1．3．3 X射线和伽马射线的探测

1．3．4 暗物质探测

1．4 弱光探测器的主要技术指标

1．4．1 探测效率

1．4．2 暗计数

1．4．3 死时间

1．4．4 探测谱范围

1．4．5 光子数分辨能力

1．5 超导电性理论

1．5．1 二流体模型及London方程

1．5．2 BCS理论

1．6 本文研究内容

第二章 单光子源与量子非局域性验证

2．1 宣布式单光子源

2．2 CHSH型Bell不等式的验证

2．3 CHSH型Bell不等式验证的实验系统

2．4 CHSH型Bell不等式验证实验结果

2．4．1 极化关联曲线

2．4．2 Bell不等式的验证

2．4．3 密度矩阵及测量基的优化

2．4．4 高质量纠缠源的搭建

2．5 Hardy定理的验证

2．5．1 Hardy定理理论

2．5．2 实验系统及测量结果

2．6 本章小结

第三章 超导转变边界光子探测器基础

3．1 TES的工作原理

3．2 电压偏置及电热负反馈

3．3 探测器噪声分析

3．3．1 热涨落噪声

3．3．2 热Johnson噪声

3．3．3 放大器噪声

3．3．4 能量分辨率和过量噪声

3．4 SQUID及TES读出线路

3．5 本章小结

第四章 超导转变边界光子探测器实验研究

4．1 极低温环境

4．1．1 稀释制冷机原理

4．1．2 稀释制冷机结构

4．2 TES材料选择

4．3 W膜TES样品制备及测试线路

4．3．1 微加工技术简介

4．3．2 W膜TES样品测试线路

4．4 结果分析

4．4．1 钨膜的相

4．4．2 β相和非晶态的热稳定性

4．4．3 样品测试结果及解决方案

4．5 本章小结

第五章 基于超导谐振技术光子探测器基础

5．1 超导微波谐振光子探测器工作原理

5．1．1 超导体表面阻抗

5．1．2 光子探测过程

5．2 超导微波谐振器

5．3 超导谐振器的灵敏度

5．4 四份之一波长共面波导谐振器

5．4．1 四分之一波长CPW表面阻抗

5．4．2 品质因子与动态电感比

5．5 CPW设计参数及制备

5．6 本章小结

第六章 超导谐振器光子探测线路及结果

6．1 超导谐振器测量线路

6．2 四分之一波长谐振器实验结果

6．3 TiN谐振器样品实验结果

6．3．1 线路搭建

6．3．2 线路噪声

6．3．3 谐振器对信号的响应

6．4 本章小结

第七章 微波光子聚束效应

7．1 腔量子电动力学简介

7．2 电路QED系统

7．2．1 超导量子比特

7．2．2 超导谐振器

7．3 Jaynes-Cummings模型

7．4 量子非破坏测量

7．5 利用腔QED系统产生可控聚束光场

7．5．1 光场聚束效应

7．5．2 主方程

7．5．3 腔中单原子情况

7．5．4 腔中两原子情况

7．6 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文