光场高阶光子关联的分析与测量

杭州爱华仪器有限公司了解到光场光子关联的分析与测量是表征光场量子特性的重要方法，并在量子信息及量子成像等方面有着潜在应用.光场光子关联的研究起源于上世纪50年代的HanburyBrown和Twiss（HBT）实验，其关于光子关联的发现奠定了早期量子光学的基础.与一阶相位干涉不同的是，HBT实验采用两个不同时空点、相互独立的光电探测器测量光场的二阶强度关联.随后Glauber在1963年提出描述光场相干性的量子理论，杭州爱华仪器有限公司了解发现为进一步理解和探索光子关联特性提供了必要的理论基础.近年来，随着光子探测技术的快速发展，单光子探测作为一种高灵敏的光学测量技术，已经迅速发展并应用到量子信息和量子计量等领域中.

单光子计数模块由于相对较高的探测效率、灵敏度及低的暗计数，是目前应用最为广泛的单光子探测器之一，成为了量子密钥分发、单光子源制备、非经典性的判别与增强等研究中优选的探测装置.杭州爱华仪器有限公司了解到本文是通过扩展的HBT探测方案，即由四个SPCM构建双HBT系统，分析测量不同光场的高阶光子关联.在理论上，考虑实际SPCM探测系统的效率和背景影响，利用双HBT模型研究了热态、相干态、压缩真空态和Fock态的三阶和四阶光子关联，分析不同光场的高阶光子光联随入射强度、压缩参数及光子数的变化.在实验上，测量确定最佳探测系统分辨时间和计数率，精确探测得到热态和相干态的高阶光子关联，与理论值符合良好.同时还在不同延迟时间条件下，测量了热态的三阶和四阶光子关联，表明该双HBT探测方案可应用于光场高阶光子关联的精确测量及量子统计特性的研究.

基于双HBT方案，考虑系统的整体效率和背景噪声，从理论上分析了热态、相干态、压缩真空态和Fock态的三阶及四阶光子关联的结果.受探测效率和背景噪声的影响，热态的高阶光子关联随入射光场平均光子数的增大先增大后缓慢减小.相干态的高阶关联恒定为1，不受系统探测效率和背景噪声的影响.对于压缩真空态，高阶关联随压缩因子的增大而减小，但高阶光子关联值的变化幅度远大于热态，这是由于压缩真空态的聚束效应更强.随着Fock态光子数的增加，其高阶光子关联由0逐渐增加至趋于1.

同时在实验上，考虑计数率和分辨时间的影响，利用双HBT装置测量了热态和相干态的三阶和四阶光子关联.随着探测器计数率和分辨时间的增加，热态的高阶关联先增大到接近理论值，后减小为1，相干态的高阶光子关联从0增加至1后基本保持不变.通过测量不同系统分辨时间和计数率对相干态和热态的三阶及四阶光子关联的影响，得出在分辨时间为210ns，计数率为80kc/s时，系统能够精确测量热态的高阶光子关联.在此条件下，测量得到热态三阶和四阶光子关联在零延迟处，相对理论值6和24的统计偏差分别为0.3%和0.8%.另外，测量得到了不同延迟时间条件下热态的三阶和四阶光子关联的结果.本文研究表明，综合对系统效率、背景噪声、计数率及分辨时间各种影响因素的分析，可精确测量光场的高阶光子关联，该方法将在鬼成像、光场相干性分析及保密通信等领域提供关键技术支持.