[论文解读] Simultaneous, full characterization of a single-photon state using semiconductor quantum-dot light

Tim Thomay, Sergey V. Polyakov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于半导体量子点的单光子态同步全表征方法，采用两个两光子数分辨探测器，在单次测量中同时测定亮度、单光子纯度（g²）、不可分辨性（C）以及三阶以内的 Fock 态统计。该方法在混合态情况下效率高于传统方法，且消除了多次独立测量带来的不一致性。

ABSTRACT

As single-photon sources become more mature and are used more often in quantum information, communications and measurement applications, their characterization becomes more important. Single-photon-like light is often characterized by its brightness, and two quantum properties: the single-photon composition and the photon indistinguishability. While it is desirable to obtain these quantities from a single measurement, currently two or more measurements are required. Here, we simultaneously determine the brightness, the single photon purity, the indistinguishability, and the statistical distribution of Fock states to third order for a quantum light source. The measurement uses a pair of two-photon (n = 2) number-resolving detectors. n > 2 number-resolving detectors provide no additional advantage in the single-photon characterization. The new method extracts more information per experimental trial than a conventional measurement for all input states, and is particularly more e cient for statistical mixtures of photon states. Thus, using this n=2, number- resolving detector scheme will provide advantages in a variety of quantum optics measurements and systems.

研究动机与目标

• 实现单光子源多个量子特性的同步测量——包括亮度、单光子纯度、不可分辨性及三阶以内的 Fock 态统计，而无需依赖独立的实验装置。
• 克服传统表征方法的局限性，后者需要使用单光子雪崩二极管（SPADs）和分束器进行多次独立测量。
• 证明两光子数分辨探测器相比传统设置可在每次实验中提供更多信息，尤其适用于混合光子态。
• 表明更高阶数分辨探测器（n > 2）虽不能改善二阶相关性测量，但在高阶态表征中具有优势。
• 通过玻色采样框架验证该方法，并确认其结果与既有的测量结论一致。

提出的方法

• 该方法采用马赫-曾德尔干涉仪结构，结合两个两光子数分辨探测器，同步测量二阶相关性（g²_HBT[0]）与不可分辨性（C）。
• 该装置以数分辨探测器替代传统的 SPADs 和分束器，可直接检测每个输出端口的光子数结果（如 0、1 或 2 个光子）。
• 该测量方案仅使用 n=2 数分辨探测器，即可提取输入 Fock 态分布至三阶的完整统计信息。
• 该方法利用数分辨探测的内在信息增益优势，相比传统基于强度或符合计数的方法，可在每次实验中捕获更多数据。
• 通过将结果与玻色采样模型对比对方法进行验证，其中利用干涉电路的酉矩阵计算永久值，并匹配预测的 g² 和 C 值。
• 采用不确定性评分函数比较效率，结果表明 Sg2 方法在降低测量不确定性方面优于独立的 HBT 和 HOM 测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过单一测量装置同步表征亮度、单光子纯度、不可分辨性及三阶以内的 Fock 态统计？
• RQ2 使用两光子数分辨探测器是否相比传统基于 SPAD 的 HBT 和 HOM 测量具有可测量的效率优势？
• RQ3 对于二阶相关性测量，使用 n > 2 数分辨探测器是否具有实际益处？
• RQ4 Sg2 方法的信息含量与不确定性相比传统独立测量 g² 和 C 的方法有何差异？
• RQ5 Sg2 方法是否可通过玻色采样框架与基于永久值的建模进行验证？

主要发现

• Sg2 方法仅使用两个两光子数分辨探测器，即可同步测量亮度、g²、不可分辨性（C）及三阶以内的 Fock 态统计。
• 该方法在降低测量不确定性方面优于传统 HBT 和 HOM 测量，且随着单光子纯度下降，效率增益更加显著。
• 数分辨探测器相比 SPAD 配合分束器的方案，在每次实验中可提供更多信息，尤其适用于光子态的统计混合。
• 使用 n > 2 数分辨探测器对二阶相关性测量（g² 和 C）无优势，但可提升高阶态表征性能。
• Sg2 方法测得的 g²_HBT[0] 与 C 值与玻色采样模型结果一致，验证了方法的准确性。
• 不确定性评分函数证实，Sg2 方法在效率上优于基于共极化与交叉极化 MZI 测量的可见度方法。