CN109029743B - 一种微波单光子探测器、探测方法及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波单光子探测器、探测方法及其制备方法。通过在功率分配器的两臂分别嵌入约瑟夫森结，相当于设置了两个对微弱信号灵敏的检测器，通过多次测量获得两臂识别信号的统计结果，即所述约瑟夫森结处于电压态和基态的概率以及所述约瑟夫森结检测到的微波单光子数，若两臂的统计结果符合一定的相干关系，则确定完成了单光子检测。本发明提供的微波单光子探测器结构简单、灵敏度高、稳定性好，其制备工艺也相对简单、成本低廉，采用本发明提供的微波单光子探测器及探测方法，能够实现单个微波光子的有效探测。
Description
技术领域
本发明涉及微波单光子探测技术领域，特别是涉及一种微波单光子探测器、探测方法及其制备方法。
背景技术
微波单光子探测是现代科学技术发展中急需突破解决的技术，其在军事领域(如量子雷达侦测隐形飞机)、尖端科学问题研究(如量子计算机)等方面有不可或缺的地位。目前，世界上有许多研究小组正在从事相关研究，并取得了一定的成果，其中较为突出的是芬兰阿尔托大学的QCD研究组，其相关研究成果发表在了物理评论快报(Physical ReviewLetters)上。其研究的整个探测器件是制备在硅基片上的，首先在基片上沉积金属铌膜，之后依次经过紫外线曝光、反应离子刻蚀、电子束曝光、合金电子束蒸镀、清洗等制备工艺得到样品，样品光学显微图片如图1所示。样品的测试是在稀释制冷剂产生的极低温环境(mK温区)中进行的，样品测试实验装置如图2所示。测试过程由实验平台上的测量程序自动完成并返回实验数据。
然而，上述QCD研究组的实验方案目前仍只能探测到约200个频率为8.4GHz的微波光子，测量精度距离实现单个微波光子的探测仍有一定的差距。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波单光子探测器、探测方法及其制备方法，以实现单个微波光子的探测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微波单光子探测器，所述微波单光子探测器包括：功率分配器以及嵌入所述功率分配器中的约瑟夫森结；所述功率分配器包括输入端和两臂；所述两臂及所述输入端以所述输入端的中线为轴对称设置；在所述两臂接近末端的位置分别嵌有一个所述约瑟夫森结。
可选的，所述输入端的阻抗为50欧姆，所述两臂的阻抗为100欧姆，所述功率分配器为50:50功率分配器。
可选的，所述两臂中任一单臂的臂长为10GHz微波对应的波长的四分之一。
一种微波单光子探测方法，所述探测方法应用于所述微波单光子探测器，所述探测方法包括：
对微波信号源输出的微波信号进行多级衰减，得到单光子量级的输入微波信号；
将所述输入微波信号输入到所述功率分配器的输入端，所述输入微波信号随机进入所述两臂中的任一路单臂；
所述单臂上嵌入的所述约瑟夫森结检测到所述输入微波信号，根据多个所述输入微波信号输出多个电压信号；
根据多个所述电压信号得到两臂识别信号的统计结果；所述统计结果包括所述约瑟夫森结处于电压态和基态的概率以及所述约瑟夫森结检测到的微波单光子数；
根据所述统计结果计算关联函数，确定是否识别到微波单光子信号。
可选的，所述根据多个所述电压信号得到两臂识别信号的统计结果，具体包括：
所述两臂上嵌入的所述约瑟夫森结分别为约瑟夫森结A和约瑟夫森结B；根据多个所述电压信号确定约瑟夫森结A处于电压态的概率P1 A、约瑟夫森结B处于电压态的概率P1 B、约瑟夫森结A和约瑟夫森结B均处于电压态的概率P11、约瑟夫森结A和约瑟夫森结B均处于基态的概率P00、约瑟夫森结A处于电压态且约瑟夫森结B处于基态的概率P10、约瑟夫森结A处于基态且约瑟夫森结B处于电压态的概率记作P01、约瑟夫森结A检测到的微波单光子数NA、约瑟夫森结B检测到的微波单光子数NB。
可选的，所述根据所述统计结果计算关联函数，确定是否识别到微波单光子信号，具体包括：
判断所述统计结果是否满足关联函数，所述关联函数包括：
<NANB>＝<NA><NB>
<NANB>＝2<NA><NB>；
若所述统计结果满足所述关联函数，则确定识别到微波单光子信号。
一种微波单光子探测器的制备方法，所述制备方法包括：
制作功率分配器；所述功率分配器包括输入端和两臂；所述两臂及所述输入端以所述输入端的中线为轴对称设置；所述两臂接近末端的位置分别留有一个约瑟夫森结安装孔；
采用双角蒸镀法制备约瑟夫森结；
将两个所述约瑟夫森结分别嵌入两个所述瑟夫森结安装孔内，构成微波单光子探测器。
可选的，所述采用双角蒸镀法制备约瑟夫森结，具体包括：
首先在硅基片上均匀甩两层光刻胶，之后放入电子束曝光机进行所需图案的曝光，显影之后放入电子束蒸镀机进行铝的蒸镀和氧化，得到所述约瑟夫森结。
可选的，所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种微波单光子探测器、探测方法及其制备方法，通过在功率分配器的两臂分别嵌入约瑟夫森结，相当于设置了两个对微弱信号灵敏的检测器，通过多次测量获得两臂识别信号的统计结果，即所述约瑟夫森结处于电压态和基态的概率以及所述约瑟夫森结检测到的微波单光子数，若两臂的统计结果符合一定的相干关系，则可以确定完成了单光子检测。本发明提供的微波单光子探测器结构简单、灵敏度高、稳定性好，其制备工艺也相对简单、成本低廉，采用本发明提供的微波单光子探测器及探测方法，能够实现单个微波光子的有效探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中光子检测器件的光学显微照片；
图2为现有技术中光子检测器件的测试实验装置图；
图3为本发明提供的微波单光子探测器的结构示意图；
图4为本发明提供的约瑟夫森结的制备工艺示意图；
图5为本发明提供的微波单光子探测器的光学显微照片和约瑟夫森结的扫描电子显微照片；
图6为本发明提供的单个约瑟夫森结的检测效率实验装置图；
图7为本发明提供的微波单光子探测的检测效率示意图；
图8为本发明提供的微波单光子探测的测量时序图；
图9为本发明提供的HBT实验的简要示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微波单光子探测器、探测方法及其制备方法，以实现单个微波光子的探测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图3为本发明提供的微波单光子探测器的结构示意图。参见图3，本发明提供的一种微波单光子探测器具体包括：功率分配器以及嵌入所述功率分配器中的约瑟夫森结3。所述功率分配器包括输入端1和两臂2。所述两臂2为两路带状结构，具体包括第一单臂201和第二单臂202。所述两臂及所述输入端以所述输入端的中线为轴对称设置。在所述两臂接近末端的位置分别嵌有一个所述约瑟夫森结，分别为约瑟夫森结A301和约瑟夫森结B302。所述微波单光子探测器可以认为是一个嵌入约瑟夫森结的功率分配器(后文简称功分器)。所述约瑟夫森结是通过双角蒸镀技术制备得到的，和功分器先后分别制作，再嵌入到一起，即先制作功分器，将两臂上约瑟夫森结的安装孔部分空出来，之后制作约瑟夫森结，再将约瑟夫森结嵌入两臂安装孔中得到。所述约瑟夫森结从侧面看类似一个三明治分层的结构，由上到下依次是Al-AlOx-Al结构层。
所述输入端的阻抗为50欧姆，其后接有两个阻抗为100欧姆的两臂，由于输入端与两臂阻抗比为1:2且两臂相同，因此所述功率分配器的功率可以按照50:50分配。所述两臂中任一单臂的臂长为10GHz微波对应的波长的四分之一。10GHz微波对应的波长约为9.6mm(Si基片上)，将单臂臂长设置为该波长的四分之一是为了使所述约瑟夫森结嵌入的位置正好是输入微波信号电场强度最大的位置，从而提高探测灵敏度。
本发明提供的微波单光子探测器具有两个约瑟夫森结A和B，可以理解为两个对微弱信号灵敏的检测器，通过多次测量(次数在105量级)，两臂的检测结果如果符合一定的相干关系，则可以认定完成了单光子检测，该相干关系可由HBT实验原理证明。
本发明还提供了所述微波单光子探测器的制备方法。所述微波单光子探测器的制备方法包括：
步骤(1)：制作功率分配器；所述功率分配器包括输入端和两臂；所述两臂及所述输入端以所述输入端的中线为轴对称设置；所述两臂接近末端的位置分别留有一个约瑟夫森结安装孔。
步骤(2)：采用双角蒸镀法制备约瑟夫森结。图4为本发明提供的约瑟夫森结的制备工艺示意图。图4(a)中PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)，MMA表示甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate)，electrons表示电子，MIBK为甲基异丁基(甲)酮(methyl isobutyl ketone)，MIBK development表示MIBK显影，standing resistbridge表示站空光刻桥，Al表示铝，O2environment表示氧气环境。参见图4，所述约瑟夫森结的制备方法具体包括：
首先在硅基片上均匀甩两层光刻胶(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，之后放入电子束曝光机进行所需图案的曝光，显影之后放入电子束蒸镀机进行铝的蒸镀和氧化，最终得到所述约瑟夫森结。
步骤(3)：将两个所述约瑟夫森结分别嵌入两个所述瑟夫森结安装孔内，构成所述微波单光子探测器。图5为本发明提供的微波单光子探测器的光学显微照片和约瑟夫森结的扫描电子显微照片。图5上半部分为制备的所述微波单光子探测器的光学显微照片，可见其包括功率分配器以及嵌入所述功率分配器中的约瑟夫森结。图5下半部分为嵌入单臂中的所述约瑟夫森结的扫面电子显微照片，可见其从侧面看类似一个三明治分层的结构。
本发明还提供一种微波单光子探测方法，所述探测方法应用于所述微波单光子探测器，所述探测方法包括：
步骤①：对微波信号源输出的微波信号进行多级衰减，得到单光子量级的输入微波信号。
步骤②：将所述输入微波信号输入到所述功率分配器的输入端，所述输入微波信号随机进入所述两臂中的任一路单臂。
在将所述输入微波信号输入到所述功率分配器的输入端之前，首先要对所述约瑟夫森结进行直流偏置，以确认单臂可以符合要求的正常工作。图6为本发明提供的单个约瑟夫森结的检测效率实验装置图。图6中CPF(cooper powder filter)表示铜粉滤波器，HEMT(High Electron Mobility Transistor)为高电子迁移率晶体管。采用图6所示的实验装置对所述微波单光子探测器中的单个约瑟夫森结进行直流偏置约瑟夫森结信号检测，实验在12mK的低温环境中进行，通过求解所述微波单光子探测器的主方程(该主方程为可以求解出微波单光子探测器检测效率的一个量子力学微分方程)，可以得到单臂上电流偏置的约瑟夫森结的检测效率最高可达到94％，如图7所示，其测量时序图如图8所示。图7为本发明提供的微波单光子探测的检测效率示意图。图7中横坐标表示检测脉冲时长，单位为纳秒，纵坐标表示检测效率。其中图7(a)表示具有不同弛豫时间的约瑟夫森结的检测效率与检测脉冲时长的关系。图7(b)表示不同势垒高度下约瑟夫森结的检测效率与检测脉冲时长的关系。图8为本发明提供的微波单光子探测的测量时序图。图8中“Fast Bias”表示快速偏置信号，“Slow Bias”表示慢偏置信号，RF表示射频信号，FPA表示Fast Bias快速偏置信号的脉冲幅度，tFP表示Fast Bias快速偏置信号的宽度。IB表示Slow Bias慢偏置信号的脉冲幅度，tM+tB表示Slow Bias慢偏置信号的宽度，td表示检测时长，tRF表示射频信号的脉宽。利用图8所示的测量时序对所述约瑟夫森结首先进行偏置，之后输入待检测的微波单光子信号，如果所述约瑟夫森结对该信号识别，将产生一个电压信号并被记录。
步骤③：所述单臂上嵌入的所述约瑟夫森结检测到所述输入微波信号，根据多个所述输入微波信号输出多个电压信号。
步骤④：根据多个所述电压信号得到两臂识别信号的统计结果；所述统计结果包括所述约瑟夫森结处于电压态和基态的概率以及所述约瑟夫森结检测到的微波单光子数。具体为采用光学HBT(Hanbury Brown–Twiss，汉伯威布朗-特维斯)实验得到所述统计结果。图9为本发明提供的HBT实验的简要示意图。图9中BS(Beam Splitter)是50:50的光学分束器，即所述功分器，A、B分别表示约瑟夫森结A和约瑟夫森结B。所述HBT实验在12mK的低温环境中进行。使用两臂上的约瑟夫森结(分别为约瑟夫森结A和约瑟夫森结B)同时检测两处的单光子(输入微波信号)，记录下每个脉冲后两个约瑟夫森结的状态，如果是基态记为0，如果是电压态记为1，重复检测，检测次数要足够多，达到105量级，得到多个电压信号。计算机记录多个电压信号并计算两个约瑟夫森结处在各种状态的概率并统计最后检测到的光子数，把约瑟夫森结A处于电压态的概率和约瑟夫森结B处于电压态的概率分别记作P1 A，P1 B，把约瑟夫森结A和约瑟夫森结B都处于电压态的概率记作P11，把约瑟夫森结A和约瑟夫森结B都处于基态的概率记作P00，把约瑟夫森结A处于电压态而约瑟夫森结B处于基态的概率记作P10，把约瑟夫森结A处于基态而约瑟夫森结B处于电压态的概率记作P01，把约瑟夫森结A和约瑟夫森结B检测到的微波单光子数分别记作NA和NB。
使用相干光源进行测试时，如果约瑟夫森结足够灵敏，那么有如下等式成立：
<NANB>＝<NA><NB> (2)
式(1)表示对于相干光源检测器A(即约瑟夫森结A)和检测器B(即约瑟夫森结B)检测到光子的概率相互独立，式(2)表示约瑟夫森结A和约瑟夫森结B检测到的微波单光子数乘积的均值等于均值的乘积。其原因是光强满足同样的关系。
使用热光源进行测试时，如果约瑟夫森结足够灵敏，那么有如下等式成立：
<NANB>＝2<NA><NB> (5)
式(1)表示对于相干光源检测器A和检测器B检测到光子的概率不是相互独立的，式(2)表示约瑟夫森结A和约瑟夫森结B检测到的微波单光子数乘积的均值等于均值的乘积的两倍。其原因是光强满足同样的关系。
步骤⑤：根据所述统计结果计算关联函数，确定是否识别到微波单光子信号。
若所述统计结果满足所述关联函数(1)-(5)，则确定识别到微波单光子信号。
对于热光源，因为不是相干光，所以在互斥的时间或空间检测到光子的概率不是相互独立的，呈现出相关性。热光源受到很多相互独立变量的影响，所以根据中心极限定理，热光源的统计概率分布收敛于高斯正态分布，即：
其中P(n)表示统计概率；α是一个常数，与实验条件有关；是光子数期望值。
以上所说明的性质在光场的任意位置都成立，两个独立的单光子检测器(即约瑟夫森结)放在光场的任意位置，多次测量，重复试验，计算两个约瑟夫森结检测到光子的概率，看是否是独立的。这些结果用经典的光学理论也可以解释，为了进一步提高实验结果的科学性和可信度，本发明加入量子相干实验，使用光场中两个时空点间的光场强度关联来进一步验证这两个约瑟夫森结B的灵敏度。
根据HBT实验的实验结果，不同时空点的光场强度不是独立的而是相互关联的。如果实验结果和理论值相差较大，则表明该单光子检测器没有检测到有些光子，导致统计结果有错误，即检测器灵敏度不足。相反，如果实验与理论吻合，则表明检测器灵敏度合格，即达到单光子的精度。本发明提供的微波单光子探测器的HBT实验统计结果满足所述关联函数，表明本发明微波单光子探测器的灵敏度合格，能够达到单光子的探测精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种微波单光子探测器，其特征在于，所述微波单光子探测器包括：功率分配器以及嵌入所述功率分配器中的约瑟夫森结；所述功率分配器包括输入端和两臂；所述两臂为两路带状结构，具体包括第一单臂和第二单臂；所述两臂及所述输入端以所述输入端的中线为轴对称设置；在所述两臂接近末端的位置分别嵌有一个所述约瑟夫森结，分别为约瑟夫森结A和约瑟夫森结B；所述约瑟夫森结是通过双角蒸镀技术制备得到的，和功分器先后分别制作，再嵌入到一起，即先制作功分器，将两臂上约瑟夫森结的安装孔部分空出来，之后制作约瑟夫森结，再将约瑟夫森结嵌入两臂安装孔中得到；
所述微波单光子探测器具有的两个约瑟夫森结A和B为两个对微弱信号灵敏的检测器，通过多次测量，两臂的检测结果如果符合一定的相干关系，则完成了单光子检测。
2.根据权利要求1所述的微波单光子探测器，其特征在于，所述输入端的阻抗为50欧姆，所述两臂的阻抗为100欧姆，所述功率分配器为50:50功率分配器。
3.根据权利要求1所述的微波单光子探测器，其特征在于，所述两臂中任一单臂的臂长为10GHz微波对应的波长的四分之一。
4.一种微波单光子探测方法，其特征在于，所述探测方法应用于权利要求1-3任一项所述的微波单光子探测器，所述探测方法包括：
对微波信号源输出的微波信号进行多级衰减，得到单光子量级的输入微波信号；
将所述输入微波信号输入到所述功率分配器的输入端，所述输入微波信号随机进入所述两臂中的任一路单臂；
所述单臂上嵌入的所述约瑟夫森结检测到所述输入微波信号，根据多个所述输入微波信号输出多个电压信号；
根据多个所述电压信号得到两臂识别信号的统计结果；所述统计结果包括所述约瑟夫森结处于电压态和基态的概率以及所述约瑟夫森结检测到的微波单光子数；
根据所述统计结果计算关联函数，确定是否识别到微波单光子信号。
5.根据权利要求4所述的微波单光子探测方法，其特征在于，所述根据多个所述电压信号得到两臂识别信号的统计结果，具体包括：
所述两臂上嵌入的所述约瑟夫森结分别为约瑟夫森结A和约瑟夫森结B；根据多个所述电压信号确定约瑟夫森结A处于电压态的概率P1 A、约瑟夫森结B处于电压态的概率P1 B、约瑟夫森结A和约瑟夫森结B均处于电压态的概率P11、约瑟夫森结A和约瑟夫森结B均处于基态的概率P00、约瑟夫森结A处于电压态且约瑟夫森结B处于基态的概率P10、约瑟夫森结A处于基态且约瑟夫森结B处于电压态的概率记作P01、约瑟夫森结A检测到的微波单光子数NA、约瑟夫森结B检测到的微波单光子数NB。
6.根据权利要求5所述的微波单光子探测方法，其特征在于，所述根据所述统计结果计算关联函数，确定是否识别到微波单光子信号，具体包括：
判断所述统计结果是否满足关联函数，所述关联函数包括：
<NANB>＝<NA><NB>
<NANB>＝2<NA><NB>；
若所述统计结果满足所述关联函数，则确定识别到微波单光子信号。
7.一种微波单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制作功率分配器；所述功率分配器包括输入端和两臂；所述两臂为两路带状结构，具体包括第一单臂和第二单臂；所述两臂及所述输入端以所述输入端的中线为轴对称设置；所述两臂接近末端的位置分别留有一个约瑟夫森结安装孔；
采用双角蒸镀法制备约瑟夫森结；
将两个所述约瑟夫森结，分别为约瑟夫森结A和约瑟夫森结B分别嵌入两个所述瑟夫森结安装孔内，构成微波单光子探测器；所述微波单光子探测器具有的两个约瑟夫森结A和B为两个对微弱信号灵敏的检测器，通过多次测量，两臂的检测结果如果符合一定的相干关系，则完成了单光子检测。
8.根据权利要求7所述的微波单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述采用双角蒸镀法制备约瑟夫森结，具体包括：
首先在硅基片上均匀甩两层光刻胶，之后放入电子束曝光机进行所需图案的曝光，显影之后放入电子束蒸镀机进行铝的蒸镀和氧化，得到所述约瑟夫森结。
9.根据权利要求8所述的微波单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯。
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