一个也不能少：从单光子探测到光子数分辨（1）

20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦发表论文《关于光产生和转变的一个启发性观点》，重新解释光电效应的实验数据。论文提出光的能量并非连续均匀分布，而是负载于离散的光量子（光子），每个光子的能量等于频率乘以普朗克常数。爱因斯坦的发现有利地推动了量子力学的诞生，因为其“对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”荣获1921年诺贝尔物理学奖。

自20世纪80年代以来，随着BB84量子密码协议和Shor算法等重大发现，量子力学与信息学科逐渐交融，产生了量子信息科学。在该领域的发展过程中，单光子成为最理想也是最典型的单量子体系，单光子的产生、操纵和探测成为量子通信、量子计算、量子精密测量、量子物理学基础实验等应用的关键构件。过去二十年，人们一直在追求理想的单光子源和单光子探测器，本文将简单介绍下单光子源的基本概念和现状，重点关注单光子探测器的发展现状和趋势。

一般来说，单光子源主要有四个指标：单光子发射纯度（是否每次最多只有一个光子，由HBT实验决定）、光子全同性（两个光子彼此的不同程度，由HOM实验测量）、亮度（单位时间内发射的单光子数量）和发射效率（成功发射出可用于后续应用的单光子比例）。

量子实验中最常用的单光子源主要有人造量子体系单光子源、基于光学参量非线性效应的“可预报”式单光子源。前者以半导体量子点、NV色心等技术为代表，原则上一次发射一个光子；后者以参量转换、四波混频等技术为代表，自发产生光子对，可以通过探测其中一个光子预报另外一个光子的存在。

另外，在量子密钥分发实验或者单光子探测器性能表征实验中，还会采用相干光强衰减得到的光子脉冲作为“单光子源”，但是在物理上这种光源并不是真正的单光子源。尽管这种源的每个脉冲平均只含一个光子能量, 但本质上还是相干光， 其光子数的分布满足泊松统计, 光场二阶关联函数仍是1而不是单光子源物理上要求的小于1甚至是0。

下面有个简单的图示，理想单光子源是每个板凳上都有且只有一个小猫咪（光子）。但是相干光经过强烈衰减后，会出现很多空板凳，概率高达90%，还存在2%的多光子概率。人工制造单光子源，如量子点、NV色心等，可以大大降低空光子概率，但是依然会存在1%的多光子概率。而对于测量来说，空板凳无法用于测量，而一个板凳上坐多个小猫咪便会引起测量误差。因此，对探测端来说，我们不仅要探测到每个单光子，还要识别出多光子概率，即发展光子数分辨能力。

一般来说，单光子探测器主要有五个指标：探测效率（指探测器能够成功探测到入射单光子的概率）、暗计数率（在没有光子入射时探测器产生的虚假计数）、计数率（单位时间内探测器能够处理的最大光子计数数量）、时间抖动（光子到达的时间的精确度）、后脉冲概率（在探测到一个光子后，探测器在短时间内产生的额外错误脉冲的概率）等。

上世纪30年代起，研究人员发明了很多种单光子探测器，目前市场上主流的单光子探测器主要分为基于外光电效应的光电倍增管PMT、基于内光电效应的单光子雪崩二极管SPAD、基于超导量子效应的超导条带单光子探测器SNSPD等。

其中，SNSPD是一种基于超导材料和纳米技术的尖端探测器，利用超导材料在低温下的特殊性质，当光子入射时，会在局域打破超导态形成有阻态，进而产生可检测的电信号。目前SNSPD是近红外波段的明星单光子探测器，自2001年问世后，经过二十年的发展，SNSPD取得了巨大的进步，比如探测效率超过98%，接近100%探测极限，基本可完美识别出单光子事件。

对于多光子事件，一般需要发展光子数分辨能力。但是，大部分单光子探测器是阈值探测器，即由于强烈的非线性转换过程，比如雪崩效应、热点效应等，当接收到同时到达的多个光子时，一般只能输出一个脉冲，会丢失同时到达的光子信息。为了发展光子数分辨能力，一般可以将入射光子在时间和空间上进行复用，然后再入射到阈值探测器上，进而实现准光子数分辨。

【1】 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E7%94%B5%E6%95%88%E5%BA%94

【2】 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202103963

【3】 https://www.nature.com/articles/s41566-022-01128-2