CN108844642B - 探测器层析仪及量子层析方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种探测器层析设备及方法，所述方法包括以下步骤：产生一束相干光；提供一强度调制模块以将所述相干光调节到单光子量级的强度传输给一光子探测器；令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

Description

探测器层析仪及量子层析方法

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种探测器层析仪及量子层析方法。

背景技术

精密的光子探测器对于科学、国防、工业生产等各个领域都具有重要意义，而低成本快速的探测器层析方案对于量子光学和量子信息实验非常重要。具体而言，在量子光学的光学干涉实验，量子保密通信，连续变量的量子计算以及量子测量、量子成像中，光子探测器都起到了重要的作用。比如，在量子随机数发生器中，对探测器的准确了解有助于我们产生真正可靠的随机数。在量子超分辨成像中，成像结果的好坏直接依赖于测量的精度。

光子探测器的性质由其测量算子来精确刻画。对于一般的探测器，要对其进行层析(Tomography)，我们需要构建其测量算符，即正值算符测量算子(Positive-Operator-Valued Measurement，简称POVM)。对于光子探测器来说，由于其对光模的位相不敏感，我们可以将其测量算子看作是对于不同光子数成分相应的叠加。

随着量子光学和量子信息实验水平的不断发展，人们迫切需要一种低成本、快速的探测器层析方法。现有的一种光子探测器层析方法分析探测器对于不同光子数的相应时，采取的是直接输入相应的光子数态，并对探测器的响应情况进行技术来判断的。其他的光子探测器层析方案包括入射特定量子态，通过极大似然的方法推断探测器的响应参数(DOI:10.1038/NPHYS1133)。

探测器的层析方案已经有了很多研究，然而低成本高效率的探测器层析仪没有有效地实现。另外，由于实验上光子数态非常难制备，并且制备出来的精度也很差，因此输入光子数态进行光子探测器层析的方案成本高，并且效果并不好。

而在已经公开的现有技术中，已有的通过极大似然的方案推断探测器响应情况可以改进对于探测器层析的效率和效果。然而，之前的工作中对于输入态的选取没有进行优化，导致其层析的效果仍然不够理想。此外，实验环境中噪音以及统计涨落对于探测器层析的结果有很大的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种探测器层析仪及量子层析方法，用于解决现有技术中高成本低效率的探测器层析问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种探测器层析设备，用于对光子探测器进行层析，包括相干光源，强度调制模块以及数据分析模块；其中，所述相干光源用于产生一束相干光；所述强度调制模块与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；以及所述数据分析模块连接所述光子探测器及所述强度调制模块，用于接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述相干光源为激光器。在一实施例中，所述激光器为强光连续波模式激光器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述强度调制模块用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。在一实施例中，所述强度调制模块为光强度调制器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述探测器层析设备还包括控制模块，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括控制单元，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括线性规划单元，用于依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述数据分析模块包括极大似然估计单元，用以利用极大似然估计获得各测量算子的结果。

本申请的第二方面还提供一种探测器层析方法，包括以下步骤：产生一束相干光；提供一强度调制模块以将所述相干光调节到单光子量级的强度传输给一光子探测器；令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述产生一束相干光的步骤为由一激光器产生一束相干光。在一实施例中，所述激光器为连续波强光激光器。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述将所述相干光调节到单光子量级的强度的步骤为令所述强度调制模块将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。在一实施例中，所述强度调制模块为光强度调制器。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围的步骤为以所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述探测器层析方法还包括利用极大似然估计获得各测量算子的结果的步骤。

如上所述，本申请的探测器层析仪及量子层析方法，通过不同光强的弱相干光在探测器中的响应情况对光子探测器进行层析，利用线性规划的方法，计算不同测量算子的元素取值范围，使得本申请应用场景普遍，层析仪的仪器简单使其成本较低，相较于用极大似然法估计的测量算子结果，通过线性规划得到的测量算子范围可以容忍噪声的影响，在有噪音的环境下给出相对准确的估计，因此对于量子光学和量子信息实验具有很强的实用价值。

附图说明

图1显示为本申请探测器层析设备在一实施例中的结构框图。

图2显示为本申请探测器层析设备在另一实施例中的结构框图。

图3显示为本申请探测器层析设备在再一实施例中的结构框图。

图4显示为本申请探测器层析设备在又一实施例中的结构框图。

图5显示为本申请探测器层析设备在另一实施例中的结构框图。

图6显示为本申请探测器层析方法的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。

这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。另外，虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述光束，但是这些光束不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个光束与另一个光束进行区分。并且类似地，一个光束可以被称作一束光，而不脱离各种所描述的实施例的范围。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包括”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

在量子光学和量子信息领域，探测器是必不可少的组件。一些高精度的量子光学实验对于探测器的精度具有很高的要求。光子探测器本身的参数标定对于得到实验结果具有很重要的意义。然而，如今的弱光探测器，比如常用的单光子探测器的生产要求苛刻；在当今的生产条件下，同一批次的光子探测器的实验参数就可能有很大区别。因此，如何低成本、高效地标定这些探测器的测量性能是量子光学、量子信息领域重要的问题。现有的高精度标定探测器参数的方法对于光源、测试环境有着较高的要求，并不适合广泛使用。

请参阅图1，显示为本申请探测器层析设备在一实施例中的结构框图，如图所示，本申请提供一种探测器层析设备10，用于对光子探测器进行层析(Tomography)，通过调节弱相干光的强度并记录不同强度下探测器的响应情况，可以快速地计算出探测器对于不同光子数的响应结果，从而完成对于探测器的层析。在实施例中，所述光子探测器11为单光子探测器。所述探测器层析设备10包括：相干光源100，强度调制模块101以及数据分析模块。

所述相干光源100用于产生一束相干光；在一实施例中，所述相干光源100为激光器，具体地，所述激光器为强光连续波模式激光器(Continuous Wave，简称CW)。所述连续波模式激光器可输出连续的激光信号，所述的激光信号的激光强度在时域上是一条平稳曲线。

所述强度调制模块101与所述光子探测器11相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器11；在一实施例中，所述强度调制模块101用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器11。在一实施例中，所述强度调制模块101为光强度调制器。

所述的单光子量级的强度的相干光是指每一发包的相干光中包括若干个单光子，即，比如包括平均光子数的大概是例如0.5个光子、1个光子、2个光子、3个光子、4个光子或者其他个数的量级。应理解的是，在本申请中，所述的单光子量级的强度的相干光并非局限光子的数量，即而是将相干光处理成一种弱相干光的情况。

在一实施例中，所述强度调制模块101将一束相干光分成多束，比如分成两束相干光，将一小部分光进行衰减调制，调节到单光子量级的强度并进行输出。在实施例中，所述强度调制模块101包括分束模块和衰减模块，所述分束模块例如为一分束器，但并不局限与此，凡事能够将所述一束相关光分束成两束相干光的器件/元件/组件均适用于本申请，比如波导管等。所述衰减模块用于将小部分光束进行衰减调制到单光子量级的强度后予以输出，在实施例中，所述衰减模块例如为光衰减器(Variable Optical Attenuator，简称VOA)，将光束衰减至单光子量级的强度予以输入到待层析的光子探测器11中。

所述数据分析模块102连接所述光子探测器11及所述强度调制模块101，用于接收并记录所述光子探测器11对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

在实施例中，控制所述强度调制模块101调制的出射相干光的强度μ_i；对于每一个强度值μ_i(i＝1～I)，所述数据分析模块102记录其响应的统计情况，即不同探测情况的出现频率

(m为对应于不同的探测情况)。最终，在收集了不同的相干光强度μ_i下的响应情况后，所述数据分析模块102通过线性规划的方法，通过出现频率

作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围，与此同时，所述数据分析模块102通过极大似然的方法，给出最有可能出现的测量算子结果。在实施例中，所述强度调制模块101例如为FPGA处理器。

在层析过程中，所述相干光源100在强光连续波模式下产生相干光到所述强度调制模中，所述强度调制模块101将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器11，在这一过程中，控制所述强度调制模块101输出的光强μ_i，数据分析模块102记录光子探测器11的响应情况；在进行足够多次数试验后，数据分析模块102计算光子探测器11在光强为μ_i的相干光入射时的响应频率；数据分析模块102控制强度调制模块101不断改变光强，重复进行上述实验，得到不同光强下光子探测器11的响应频率

数据分析模块102通过线性规划程序计算不同测量算子的元素的可能取值范围。与此同时，该模块通过极大似然的方法，给出最有可能出现的测量算子结果。

请参阅图2，显示为本申请探测器层析设备在另一实施例中的结构框图，如图所示，所述数据分析模块102包括线性规划单元1021，所述线性规划单元1021用于依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在实施例中，所述线性规划单元1021依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围的过程具体为：在实施例中，控制所述强度调制模块101调制的出射相干光的强度μ_i；对于每一个强度值μ_i(i＝1～I)，所述数据分析模块102记录其响应的统计情况，即不同探测情况的出现频率

(m为对应于不同的探测情况)。最终，在收集了不同的相干光强度μ_i下的响应情况后，所述数据分析模块102通过线性规划的方法，通过出现频率

作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围，具体如下：

设定一个M个输出的光子探测器11的测量算子{Π⁽⁰⁾,Π⁽¹⁾,…,Π^(M-1)}表示为：

其中，{|l>}为光子数态基矢，

为第m个测量算子对于l光子输入时的响应概率，其取值范围为0-L；L为截断常数；

则所述线性规划计算过程如下：

其中，n表示第n个测量算子；k表示k光子状态下的响应概率；

表示为第n个测量算子对于k光子输入时的响应概率；

表示为响应频率；μ_i表示为i光子的强度值，i＝1～I。

请参阅图3，显示为本申请探测器层析设备在再一实施例中的结构框图，如图所示，在实施例中，所述数据分析模块102包括极大似然估计单元1022，所述极大似然估计单元1022用以利用极大似然估计获得各测量算子的结果。

请参阅图4，显示为本申请探测器层析设备在又一实施例中的结构框图，如图所示，在实施例中，所述探测器层析设备10还包括独立的控制模块103，所述控制模块103用于控制所述强度调制模块101传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器11，进而可以得到不同光强下光子探测器11的响应频率，以重复进行上述过程，直至在收集了一定数量的不同的相干光强度下的响应情况后，所述数据分析模块102通过线性规划的方法，通过出现频率作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围。

请参阅图5，显示为本申请探测器层析设备在另一实施例中的结构框图，如图所示，在实施例中，所述数据分析模块102包括控制单元1020，即将控制单元1020内置与所述数据分析模块102中以控制所述强度调制模块101传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器11，所述数据分析模块102控制强度调制器改变光强，重复进行上述实验，得到不同光强下光子探测器11的响应频率，然后再通过线性规划的方法，通过出现频率作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围。

如上所述，本申请的探测器层析设备通过不同光强的弱相干光在探测器中的响应情况对光子探测器进行层析，利用线性规划的方法，计算不同测量算子的元素取值范围，使得本申请应用场景普遍，层析仪的仪器简单使其成本较低，相较于用极大似然法估计的测量算子结果，通过线性规划得到的测量算子范围可以容忍噪声的影响，在有噪音的环境下给出相对准确的估计，因此对于量子光学和量子信息实验具有很强的实用价值。

本申请还提供一种探测器层析方法，用于对光子探测器进行层析(Tomography)，通过调节弱相干光的强度并记录不同强度下探测器的响应情况，可以快速地计算出探测器对于不同光子数的响应结果，从而完成对于探测器的层析。请参阅图6，显示为本申请探测器层析方法的流程示意图，如图所示，所述探测器层析方法，包括以下步骤：

在步骤S10中，产生一束相干光；在实施例中，由一激光器产生一束相干光。具体地，所述激光器为强光连续波模式激光器(Continuous Wave，简称CW)。所述连续波模式激光器可输出连续的激光信号，所述的激光信号的激光强度在时域上是一条平稳曲线。

在步骤S11中，提供一强度调制模块以将所述相干光调节到单光子量级的强度传输给一光子探测器；在实施例中，所述强度调制模块与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光调节到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；在一实施例中，所述强度调制模块用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器。在一实施例中，所述强度调制模块为光强度调制器。

所述的单光子量级的强度的相干光是指每一发包的相干光中包括若干个单光子，即，比如包括平均光子数的大概是例如0.5个光子、1个光子、2个光子、3个光子、4个光子或者其他个数的量级。应理解的是，在本申请中，所述的单光子量级的强度的相干光并非局限光子的数量，即而是将相干光处理成一种弱相干光的情况。

在一实施例中，所述强度调制模块将接收的一束相干光分成多束，比如分成两束相干光，将一小部分光进行衰减调制，调节到单光子量级的强度并进行输出。在实施例中，所述强度调制模块包括分束模块和衰减模块，所述分束模块例如为一分束器，但并不局限与此，凡事能够将所述一束相关光分束成两束相干光的器件/元件/组件均适用于本申请，比如波导管等。所述衰减模块用于将小部分光束进行衰减调制到单光子量级的强度后予以输出，在实施例中，所述衰减模块例如为光衰减器(Variable Optical Attenuator，简称VOA)，将光束衰减至单光子级别的强度予以输入到待层析的光子探测器中。

在步骤S12中，令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；在实施例中，控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器，进而可以得到不同光强下光子探测器的响应频率，以重复进行上述过程，直至在收集了一定数量的不同的相干光强度下的响应情况后，所述数据分析模块通过线性规划的方法，通过出现频率作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围。

在步骤S13中，接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在实施例中，控制所述强度调制模块调制的出射相干光的强度μ_i；对于每一个强度值μ_i(i＝1～I)，记录其响应的统计情况，即不同探测情况的出现频率

(m为对应于不同的探测情况)。最终，在收集了不同的相干光强度μ_i下的响应情况后，通过线性规划的方法，通过出现频率

作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围，与此同时，通过极大似然的方法，给出最有可能出现的测量算子结果。在实施例中，所述步骤S12可以通过强度调制模块实现，例如为FPGA处理器。

在实施例中，所述通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围的步骤为以所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。具体地，所述是线性规划是依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。在实施例中，所述线性规划单元依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围的过程具体为：在实施例中，控制调制的出射相干光的强度μ_i；对于每一个强度值μ_i(i＝1～I)，记录其响应的统计情况，即不同探测情况的出现频率

(m为对应于不同的探测情况)。最终，在收集了不同的相干光强度μ_i下的响应情况后，通过线性规划的方法，通过出现频率

作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围，具体如下：

设定一个M个输出的光子探测器的测量算子{Π⁽⁰⁾,Π⁽¹⁾,…,Π^(M-1)}表示为：

其中，{|l>}为光子数态基矢，

为第m个测量算子对于l光子输入时的响应概率，其取值范围为0-L；L为截断常数；

则所述线性规划计算过程如下：

其中，n表示第n个测量算子；k表示k光子状态下的响应概率；

表示为第n个测量算子对于k光子输入时的响应概率；

表示为响应频率；μ_i表示为i光子的强度值，i＝1～I。

所述探测器层析方法还包括利用极大似然估计获得各测量算子的结果的步骤，该步骤用以利用极大似然估计获得各测量算子的结果。

在所述探测器层析方法的层析过程中，所述相干光源100在强光连续波模式下产生相干光到所述强度调制模中，所述强度调制模块将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度后传输给所述光子探测器，在这一过程中，控制所述强度调制模块输出的光强μ_i，数据分析模块记录光子探测器的响应情况；在进行足够多次数试验后，数据分析模块计算光子探测器在光强为μ_i的相干光入射时的响应频率；数据分析模块控制强度调制模块不断改变光强，重复进行上述实验，得到不同光强下光子探测器的响应频率

数据分析模块通过线性规划程序计算不同测量算子的元素的可能取值范围。与此同时，该模块通过极大似然的方法，给出最有可能出现的测量算子结果。

综上所述，本申请的探测器层析方法通过不同光强的弱相干光在探测器中的响应情况对光子探测器进行层析，利用线性规划的方法，计算不同测量算子的元素取值范围，使得本申请应用场景普遍，层析仪的仪器简单使其成本较低，相较于用极大似然法估计的测量算子结果，通过线性规划得到的测量算子范围可以容忍噪声的影响，在有噪音的环境下给出相对准确的估计，因此对于量子光学和量子信息实验具有很强的实用价值。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种探测器层析设备，用于对光子探测器进行层析，其特征在于，包括：

强光连续波模式激光器，用于产生一束相干光；

强度调制模块，与所述光子探测器相耦合，用于将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度，并在受控时传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器；

数据分析模块，连接所述光子探测器及所述强度调制模块，用于接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围；其中，所述数据分析模块包括线性规划单元，用于依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围；以及

控制模块，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。

2.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述强度调制模块为光强度调制器。

3.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述数据分析模块包括控制单元，用于控制所述强度调制模块传输不同强度的单光子量级的相干光给所述光子探测器。

4.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述数据分析模块包括线性规划单元，用于依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围：

控制所述强度调制模块调制的出射相干光的强度μ_i；

记录每一个强度值μ_i，其中，i＝1～I的响应的统计情况；

在收集了不同的相干光强度μ_i下的响应情况后，通过线性规划的方法，将响应频率

作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围。

5.根据权利要求4所述的探测器层析设备，其特征在于，所述线性规划单元依据所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围的过程具体为：

设定一个M个输出的探测器的测量算子{Π⁽⁰⁾，Π⁽¹⁾，...，I^(M-1}表示为：

其中，{|l>}为光子数态基矢，

为第m个测量算子对于l光子输入时的响应概率，其取值范围为0-L；L为截断常数；

则所述线性规划计算过程如下：

s.t. 0≤Y_l ^(m)≤1；

其中，n表示第n个测量算子；k表示k光子状态下的响应概率；

表示为第n个测量算子对于k光子输入时的响应概率；

表示为响应频率；μ_i表示为i光子的强度值，i＝1～I。

6.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述数据分析模块包括极大似然估计单元，用以利用极大似然估计获得各测量算子的结果。

7.根据权利要求1所述的探测器层析设备，其特征在于，所述强度调制模块包括FPGA处理器。

8.一种探测器层析方法，其特征在于，包括以下步骤：

由一激光器产生一束相干光，所述激光器为连续波强光激光器；

提供一强度调制模块以将所述相干光进行衰减调制到单光子量级的强度传输给一光子探测器；

令所述强度调制模块出射不同强度的单光子量级的相干光传输给所述光子探测器；

接收并记录所述光子探测器对每一强度值的相干光的响应频率，并通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围；其中，所述通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围的步骤为以所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围。

9.根据权利要求8所述的探测器层析方法，其特征在于，所述强度调制模块为光强度调制器。

10.根据权利要求8所述的探测器层析方法，其特征在于，所述通过数据分析获得不同测量算子的元素的可能取值范围的步骤为以所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围：

控制所调制的出射相干光的强度μ_i；

记录每一个强度值μ_i，其中，i＝1～I的响应的统计情况；

在收集了不同的相干光强度μ_i下的响应情况后，通过线性规划的方法，将响应频率

作为约束条件，求解不同测量算子的元素的可能取值范围。

11.根据权利要求10所述的探测器层析方法，其特征在于，所述的以所述响应频率为约束条件进行线性规划计算以获得不同测量算子的元素的可能取值范围的步骤包括：

设定一个M个输出的探测器的测量算子{Π⁽⁰⁾，Π⁽¹⁾，...，Π^(M-1)}表示为：

其中，{|l>}为光子数态基矢，

为第m个测量算子对于l光子输入时的响应概率，其取值范围为0-L；L为截断常数；

则所述线性规划计算过程如下：

s.t. 0≤Y_l ^(m)≤1；

其中，n表示第n个测量算子；k表示k光子状态下的响应概率；

表示为第n个测量算子对于k光子输入时的响应概率；

表示为响应频率；μ_i表示为i光子的强度值，i＝1～I。

12.根据权利要求8所述的探测器层析方法，其特征在于，还包括利用极大似然估计获得各测量算子的结果的步骤。

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