逐光IsCMOS像增强相机拍摄HOM干涉
1、研究背景
从近现代物理的发展来看，量子信息学的诞生离不开量子力学、光学的发展以及相应时代的科学技术进步，量子力学与光学的发展，一方面提供了实现量子纠缠的重要工具——激光，另一方面提供了实现光量子纠缠的理论依据——非线性光学，包括光学参量放大，参量下转换，四波混频等光学参量转换技术。可以说，量子信息学的发展过程中，非线性光学系统起到了至关重要的作用，量子信息学的许多具有重要意义的科学研究都是利用参量光平台完成的。
为了将一束纠缠光一分为二，实现光子纠缠，实验人员常常选择使用分束器，当单光子进入一个50:50分束器后，经过分束器的光子处于透射与反射的叠加态，光子经过分束器后透射和反射的几率各为1/2。现在，我们同时向分束器两个方向入射两个同一纠缠源出射的全同光子对，那么，出射光子可能会有以下四种情况，如图1所示：
图1 纠缠光子对穿过分束器的四种情况
而根据玻色子的全同性原理，这对光子只可能会从分束器的同一端口输出，否则就因为干涉相消导致光子不满足概率守恒。1987年，该效应首次被三位科学家在实验上证实，以三个科学家的名字命名，称为Hong-Ou-Mandel效应(HOM干涉效应)。HOM干涉效应在量子力学的基础研究和量子信息学的研究探索中具有非常重要的地位。实验成功地证明了关联光子的干涉不能够被经典波理论解释。在一个完整的探测过程中，态的相干叠加和概率振幅干涉的不可区分过程在量子力学和实验量子光学观测干涉现象中具有重要作用。HOM干涉已成功地应用于观察位置和动量之间的纠缠，即爱因斯坦-波多尔斯基-罗森关联或光学角动量模式之间的纠缠，以及研究自发参数下转换中的空间相关性，该项技术研究将有助于实现多端口的双光子关联测量。
本次实验采用逐光IsCMOS像增强相机拍摄HOM干涉产生的纠缠光子对。第二代像增强器的高增益和高量子效率，sCMOS的低噪声结合零噪声模式，能够高效精准地捕获高信噪比的单光子信号;短至3ns的门宽和10ps的延迟精度，能够轻松实现每一对纠缠光子对的时间分辨。实验展示了逐光IsCMOS相机在量子干涉测量及单光子领域的卓越性能。
2、实验原理及方案
图2 实验装置示意图，光源为400nm可调谐连续激光器，HWP：1/2波片，PPKTP II type: II型周期极化磷酸钛钾晶体，DM：变形反射镜(波前校正)，IF：红外滤光片，PBS：偏振分束器，QWP：1/4波片，SMF：单模光纤，Flipper：翻转镜(用于切换光路)，MMF：多模光纤，APD：雪崩光电探测器，Calcite：方解石
本实验利用连续激光泵浦非线性晶体进行自发参量下转换产生孪生光子对，通过PBS及波片和光学延迟线产生偏振角度与可调的双光子空间相干长度，随后结合SMF、QWP与HWP实现偏振双光子的保偏，最后利用晶体的双折射特性将双光子在空间上进行区分，验证其HOM干涉特性。图2为HOM干涉实验装置图。
测试设备：
1、TRC411-S-GS-F序列号T2021037;
2、连续激光器，中心波长390nm。
3、实验结果
1、验证HOM干涉装置的单光子事件几率
实验参数：光子波长780nm，相机采集参数如下表：
随机连续采集40000帧样本，本装置的单光子几率在0.0002，与预期理论测算接近，如图3所示。
图3 序列帧序号与帧计数总和图。纵轴为任意帧的所有像素计数之和，横轴为序列帧序号
2、不同像增强相机的单光子事件原始数据底噪比较。
中智科仪像增强相机型号为TRC411-S-GS-F拍摄仅存在单个光子时的原始图如下图4所示，灰度值按照最小最大值自动对比度线性映射。图5为国外某厂家像增强相机拍摄单光子。结合图3和图4，图6中智科仪像增强相机底噪几乎为0。
图4 中智科仪型号为TRC411-S-GS-F像增强相机拍摄单光子
图5 某厂家像增强相机拍摄单光子
图6 图3中单光子所在帧像素在水平和垂直方向分布图
4、结论
中智科仪逐光IsCMOS像增强相机具有最低3ns/500ps的光学快门以及高灵敏度的图像增强器。sCMOS具有能够分辨单光子信号的低背景噪声，结合像增强器的高灵敏度和软件的零噪声模式，能够清晰分辨并捕捉单光子级别的弱信号;相机时间延迟同步控制精度在皮秒量级，可以精准捕捉相干时间在纳秒量级的一对纠缠双光子对，实现时间上的精确分辨。实验验证了逐光IsCMOS相机具有和国外同类产品相近甚至更高的卓越性能，是科研人员拍摄量子纠缠，验证量子干涉等实验的中意之选。
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5、解决方案
由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。
1. 500皮秒光学快门
以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。
2.超高采样频率
逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。
3.精准的时序控制
逐光TRC411像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。
4. 创新“零噪声”技术
得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。
