[论文解读] How well can superconducting nanowire single-photon detectors resolve photon number?

Timon Schapeler, Niklas Lamberty+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 25被引用 4

一句话总结

该论文表明，通过分析超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的电信号输出，利用主成分分析（PCA），可实现对最多五光子数的分辨。研究识别出信号的上升沿和幅度为最具信息量的特征，并证实使用测量相对上升沿时间的计时器（time tagger）可实现接近最优的光子数分辨，时间分辨率优于2 ps，从而在无需探测器多路复用的情况下实现多光子探测。

ABSTRACT

The data set consists of 1.1 million electrical output signals (traces) from a superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) from Single Quantum. These traces were recorded with an oscilloscope (21 GHz bandwidth, 128GSa/s) for varying incident mean photon numbers between 0.5 and 5 in steps of 0.5 photons per pulse (generated with a laser, i.e., coherent states). More information can be found in the accompanying publication.

研究动机与目标

• 确定SNSPD电信号输出中哪些特征携带最多的光子数信息。
• 评估无需多路复用架构的商用SNSPD的光子数分辨能力。
• 比较基于PCA的分析方法与实用计时器方法在实时光子数判别中的性能。
• 利用基于高斯拟合直方图的统计量，量化光子数读出的置信度。
• 确立利用上升沿和下降沿的时序测量可替代幅度测量，用于光子数分辨。

提出的方法

• 对SNSPD的完整电信号输出波形应用主成分分析（PCA），以识别与光子数最相关的主导信号特征。
• 分析聚焦于探测器脉冲的上升沿和幅度，作为光子数信息的主要来源。
• 使用计时器记录触发信号与SNSPD输出上升沿/下降沿之间的时间差，形成二维直方图用于分类。
• 计算置信度度量 $ C_n = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{p(w|n)^2 p(n)}{p(w)} dw $，以量化正确识别光子数的概率。
• 对PCA投影权重和计时器数据的直方图进行高斯函数拟合，以建模各光子数下响应的分布。
• 通过置信度度量比较PCA方法与计时器方法的性能，重点关注时间分辨率和光子数分布的重叠情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 SNSPD电信号的哪些特征携带了关于入射光子数的最多信息？
• RQ2 对完整探测器波形进行PCA分析，能否识别出用于光子数分辨的最优信号分量？
• RQ3 测量上升沿时间的计时器方法在分辨光子数方面，与基于幅度或PCA的方法相比表现如何？
• RQ4 在多大程度上，单个SNSPD可利用时序信号特征实现对单光子与双光子事件的无歧义区分？
• RQ5 使用计时器方法可实现多高的光子数分辨置信度？系统抖动如何影响这一性能？

主要发现

• SNSPD电信号的上升沿和幅度与光子数的相关性最高，是实现分辨的最具信息量的特征。
• 基于PCA的方法可实现对单光子与双光子事件的无歧义区分。
• 基于PCA的方法成功实现了最高五光子数的部分光子数分辨。
• 计时器方法在光子数识别中的置信度略高于PCA方法，原因在于其时间分辨率优于1.9 ps，优于示波器的约8 ps分辨率。
• 计时器方法可有效替代幅度测量，使单个SNSPD实现高分辨率光子计数。
• 系统抖动限制了计时器方法的分辨能力，尤其在较高光子数时更为显著，表明降低抖动可进一步提升性能。