[發明專利]一種基于手性系統的無損單光子探測裝置及方法

在審

• 申請號: 202011353756.6
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112577600A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 林偉功;由玉;鈕月萍;龔尚慶
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01J1/58
• 分類號: G01J1/58;G01J9/00
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司 31203
• 代理人: 李鴻儒

本發明公開了一種基于手性系統的無損單光子探測方法：首先，單光子從第一光纖裝置接收端進入第一光纖裝置中，并近乎無損的將單光子從第一光纖裝置的輸出端耦合到耦合了發射子的一維手性結構中，在耦合了發射子的一維手性結構中的發射子與單光子發生相互作用，該相互作用結束后發射子波函數狀態中的基態幾率幅改變了±π相移，而單光子不被原子吸收，仍然保持原有特性不變，然后，單光子從第二光纖耦合裝置的接收端進入第二光纖耦合裝置中，并近乎無損的從第二光纖耦合裝置的輸出端中透射出來。本發明可以在探測單光子的同時，不破壞信號光子，提高探測率。

技術領域

本發明屬于單光子探測技術領域，具體地說，涉及一種基于手性系統的無損單光子探測裝置及方法。

背景技術

隨著通信技術的發展，通信器件的小型化和可集成化成為了一種必然的發展趨勢。當器件尺寸減小到一定程度時，其中的物理規律已經無法用經典理論來解釋，而量子理論卻可以發揮很好的作用。量子信息這門量子力學與信息技術的交叉學科應運而生，其中的量子糾纏和不可克隆原理使得構建一個高速且安全的量子通信網絡成為可能。光子是量子通信網絡中傳輸信息的重要載體，單光子探測器作為最精密的光學測量儀器便成為了量子通信中必不可少的組成部分，其在量子信息、微弱光成像、分布式光纖傳感、激光雷達等諸多領域中都有著重要的應用。目前的單光子探測技術大多是可破壞性的，即攜帶信息的光子最多只能被測量一次；而非破壞性的無損單光子探測技術卻可以避免光子在第一次測量中被吸收，進而可以對光子進行二次探測甚至是多次探測，有利于降低探測誤差，提高探測效率。

器件的小型化需求推動著納米結構制造工藝的發展，當結構小到一定尺度時，手性效應被人們發現，其結構即為手性結構，目前的手性結構有很多，例如納米光纖，回音壁腔，光學晶體波導等等。它們最突出的優勢就是尺度小，可集成，光可以近乎無損的輸入輸出以及傳輸，最重要的是它提供了一個單光子單原子的平臺，為實現全量子的通信網絡奠定基礎。

發明內容

本發明的第一目的是提供一種基于手性系統的無損單光子探測方法。

本發明的第二目的是提供一種基于手性系統的無損單光子探測裝置。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的第一方面提供了一種基于手性系統的無損單光子探測方法，包括以下步驟：

首先，單光子從第一光纖裝置接收端進入第一光纖裝置中，并近乎無損的將單光子從第一光纖裝置的輸出端耦合到耦合了發射子的一維手性結構中，在耦合了發射子的一維手性結構中的發射子與單光子發生相互作用，該相互作用結束后發射子波函數狀態中的基態幾率幅改變了±π相移，而單光子不被原子吸收，仍然保持原有特性不變，然后，單光子從第二光纖耦合裝置的接收端進入第二光纖耦合裝置中，并近乎無損的從第二光纖耦合裝置的輸出端中透射出來。

所述耦合了發射子的一維手性結構可以耦合一個發射子或多個發射子。

所述發射子與單光子發生相互作用是指單光子被發射子吸收，發射子中處于基態上的電子從基態躍遷到激發態上，再通過發射子的自發輻射過程電子又回到基態上，并同時發射出單光子的過程；此過程中單光子經歷了被吸收又被發射的過程，其相互作用前后狀態不改變；而發射子經歷了被單光子激發到激發態，再通過自發輻射回到基態的過程，其作用前后發射子波函數中的基態幾率幅改變了±π相移。

所述發射子可以是有類似原子離散能級結構的物質，如原子、分子、量子點等。

所述耦合了發射子的一維手性結構中發射子與一維手性結構的耦合可以是將發射子摻雜在一維手性結構(如光子晶體波導)中，也可以利用激光冷卻技術將發射子囚禁在一維手性結構(如納米光纖)外側。

所述耦合了發射子的一維手性結構所能傳導的光學模式是單偏振態單模式的，耦合的發射子所在的位置應該是一維手性結構的完全圓偏振模式處。