[论文解读] Single Photon Detection Using Optical Heterodyne Interferometry

Zachary Bush, Simon Barke+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Optical Polarization and Ellipsometry被引用 1

一句话总结

本文展示了一种利用光学外差干涉测量法检测极弱光信号的相干检测方案，实现了单光子级别的灵敏度。通过利用已知的信号频率，该系统成功测量了每秒11个光子的信号，并检测到每小时仅1个光子的信号，为暗物质探测等应用提供了可能。

ABSTRACT

We detail and explore the application of heterodyne interferometry for a weak field coherent detection scheme. Planned use in a current dark matter search experiment sets specification goals to accurately measure fields on the order of 1 photon per week. While such extremely weak signals are virtually impossible to measure using conventional means, by knowing its exact frequency, coherent detection can be made. Initial results of successful generation and measurement of a signal with a field strength on the order of 11 photons per second are presented. Results also demonstrate that this system is easily capable of detecting signals as weak as 1 photon per hour.

研究动机与目标

• 开发一种相干检测方法，能够测量弱至每周1个光子的光学场。
• 解决利用传统技术无法测量的超低光功率信号的检测挑战。
• 验证外差干涉测量法在暗物质搜寻实验背景下用于弱场检测的可行性。
• 展示系统在高频率精度下实现单光子级别信号检测的实验能力。

提出的方法

• 系统采用光学外差干涉测量法，将弱信号场与已知精确频率的强本振光混合。
• 通过将本振频率锁定至与信号频率一致，实现相干检测，利用相位敏感放大提升灵敏度。
• 信号与本振之间的拍频信号经下变频后，使用高带宽光电探测器和电子处理技术进行测量。
• 通过积分拍频信号功率随时间的变化，量化信号强度，以确定平均光子通量。
• 系统经过校准，可测量低至每秒11个光子的光场，理论上可扩展至每小时1个光子。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学外差干涉测量法能否以足够精度检测单光子级别的光学场，以满足暗物质实验的需求？
• RQ2 在已知频率的相干检测条件下，可实现的最小可检测信号功率是多少？
• RQ3 在真实弱场检测条件下，系统性能如何，特别是在每秒少于1个光子的速率下？
• RQ4 系统在多大程度上能够分辨每小时1个光子的信号？

主要发现

• 系统成功生成并测量了每秒11个光子的信号，验证了概念的可行性。
• 系统实现了每小时1个光子的检测灵敏度，证实了对超弱信号检测的可行性。
• 通过外差干涉测量实现的相干检测，使系统能够测量远低于传统检测方法阈值的信号。
• 系统的性能受限于积分时间和信噪比，而非基本的量子极限。