CN111220854A - 一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，采用微波量子源、单微波量子放大器、微波功分器，然后经两路微波/光学上转换装置、光学滤波、延迟、单光子探测器和同时对两路信号进行量子处理的量子处理器等装置，对微波量子的二阶相干性进行测量，进而能够实现对单微波量子探测器特性的检验以及对微波量子源特性的检验。本发明在微波单量子源后直接进行微波功分，分两路进行微波光学上转换，光学滤波等处理。本发明所使用的全部电学、光学器件与设备均可以在室温条件下工作，对于开展微波量子计量、自由空间微波量子探测研究具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于微波量子技术领域，具体为一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置。
背景技术
当前，探测与检验微波量子是量子精密测量领域的前沿。传统手段是利用微波与物质(宏观物体或微观粒子)的相互作用所产生的宏观现象，如微波热效应、微波传播、散射、衍射和干涉等来进行探测。由于其主要的理论依据是麦克斯韦方程组，未考虑微观的量子效应，故探测效率和探测精度不高，很难达到单微波量子级别。
微波信号量子特性，特别是二阶相干性，是表征微波信号量子特性的重要参数。在微波信号辨识和微波量子探测方面具有重要潜在作用。借鉴于光学波段量子二阶相干性研究成果，微波波段也可以通过二阶相干性测量进行单微波量子检验。但所采用的微波波段量子二阶相干性检验实现方案难度很大，多数方案要求在10mK级超低温环境下开展实验研究。10mK级超低温环境的构建和保持成本昂贵，一般需要数百万人民币，耗电几十千瓦，制冷环境需要占用近百平米的房间，导致实验难度很大。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，采用微波量子源、单微波量子放大器、微波功分器，然后经两路微波/光学上转换装置、光学滤波、延迟、单光子探测器和同时对两路信号进行量子处理的量子处理器等装置，对微波量子的二阶相干性进行测量，进而能够实现对单微波量子探测器特性的检验以及对微波量子源特性的检验。本发明在微波单量子源后直接进行微波功分，分两路进行微波光学上转换，光学滤波等处理。本发明所使用的全部电学、光学器件与设备均可以在室温条件下工作，对于开展微波量子计量、自由空间微波量子探测研究具有重要意义。
本发明的技术方案为：
所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：包括微波量子源、单微波量子放大器、微波功分器、激光器、微波/光学上转换器、光学极窄带滤波器、衰减与光学延时装置、单光子探测器及量子信号处理器；
所述微波量子源产生单微波量子输入到单微波量子放大器；单微波量子放大器将单微波量子放大后输入到微波功分器；微波功分器将输入信号一分为二，分别进入左右两个通道；
对于每个通道，激光器输出的激光信号和微波功分器输出的微波信号进入微波/光学上转换器，所述微波信号对激光信号进行调制；微波/光学上转换器输出信号输入光学极窄带滤波器进行滤波，只保留和所述微波信号相同特性的光学边带信号输出；光学极窄带滤波器输出信号经过衰减与光学延时装置后，进入单光子探测器；
左右两个通道的单光子探测器均输出至量子信号处理器；量子信号处理器对两个单光子探测器的输出进行采集和处理，输出微波信号量子二阶相干度特性结果。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：微波量子源包括冷空、第一低旁瓣波纹喇叭和第二极窄带微波滤波器；
所述冷空中具有宇宙背景噪声和大气热噪声；
所述第一低旁瓣波纹喇叭不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声；
所述第二极窄带微波滤波器接收第一低旁瓣波纹喇叭的输出信号，带宽在kHz量级。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述单微波量子源还包括微波信号源和第二低旁瓣波纹喇叭；
微波信号源产生的微波信号经所述第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，第二低旁瓣波纹喇叭与第一低旁瓣波纹喇叭之间的自由空间实现信号和噪声同时衰减。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述极窄带微波滤波器包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器和声表面波滤波器；
接收的微波信号输入到第一级下变频器中；
多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号；
所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器；
多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号；
将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述第二极窄带微波滤波器带内实现每微秒0.05～10个微波量子输出。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：通过控制所述微波信号源发射功率大小，实现控制第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率，进而实现不同数率的单微波量子输出。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述单微波量子放大器包括宽带微波噪声源、微波低噪声线性放大器、微波隔离器和第一极窄带微波滤波器；
微波量子源输出的待放大的单微波量子和宽带微波噪声源输出的热噪声混合输入到微波低噪声线性放大器中；微波低噪声线性放大器对输入的混合信号进行放大；放大后的信号经过微波隔离器后，输入到第一极窄带微波滤波器；第一极窄带微波滤波器输出放大后的单微波量子；所述第一极窄带微波滤波器的带宽在kHz量级。
进一步的优选方案，所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述单微波量子放大器将输入的单微波量子进行50～120dB放大。
有益效果
本发明提出了一种新的基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，采用微波量子源、单微波量子放大器、微波/光学上转换装置、光学滤波、延迟、单光子探测器及量子信号处理器等装置，均可以在室温条件下工作，对于开展微波量子计量、自由空间微波量子探测研究具有重要意义。
本发明提出的一种可以常温工作的单微波量子检验装置，常温工作的微波量子源是采用低旁瓣波纹喇叭接收冷空低噪声和微波信号，利用极窄带微波滤波器实现约-170dBW～-190dBW范围低功率，每微秒有0.05～10微波量子，基于背越效应的单微波量子放大器对输入单噪声量子或者有用信号单微波量子进行放大，再进行微波/光学上转换装置，光学滤波，衰减与延迟等，将一个微波量子转换为一个光学光子，并利用单光子探测器探测该光学光子，利用量子信号处理器对两个通道的探测结果进行二阶相干性处理，并输出处理结果。进而实现对单微波量子探测器特性的检验以及对微波量子源特性的检验。
本发明所设计的基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置可以工作在L,S,C,X,Ku,Ka等全部微波波段，方法简单、实用性好、可以在常温下工作。对于研究微波量子信号的二阶相干度具有重要作用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1室温环境下实现微波信号二阶相干度测量的原理框图；
图2具体实施例1室温工作的X波段微波信号二阶相干度测量原理框图；
图3具体实施例2室温工作的Ku波段微波信号二阶相干度测量原理框图；
图4热噪声单微波量子源的原理框图；
图5具有微波输入的单微波量子源的原理框图；
图6常温工作的微波波段kHz极窄带微波滤波器原理框图；
图7单微波量子放大器原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，包括微波量子源、单微波量子放大器、微波功分器、激光器、微波/光学上转换器、光学极窄带滤波器、衰减与光学延时装置、单光子探测器及量子信号处理器，这些装置均可以在室温条件下工作。
所述微波量子源用于输入所研究的微波信号，以单微波量子或者少数几个微波量子形式输入到单微波量子放大器；单微波量子放大器将输入的单微波量子或者少数几个微波量子进行50～120dB放大后输出到微波功分器中；微波功分器将输入信号一分为二，分别进入左右两个通道。
对于每个通道，激光器输出的激光信号和微波功分器输出的微波信号进入微波/光学上转换器，所述微波信号对激光信号进行调制，在频谱上除原来激光载频外，出现多个边频。微波/光学上转换器输出信号输入光学极窄带滤波器进行滤波，滤除掉所有载波、边带和带外杂散信号，只保留和所述微波信号相同特性的光学边带信号输出；光学极窄带滤波器输出信号经过衰减与光学延时装置后，进入单光子探测器。
左右两个通道的单光子探测器均输出至量子信号处理器；量子信号处理器对两个单光子探测器的输出进行采集和处理(按照微波量子二阶相干度公式进行仿真计算)，输出微波信号量子二阶相干度特性结果，进而能够实现对单微波量子探测器特性的检验以及对微波量子源特性的检验。
本发明中采用的微波量子源是能够在常温环境下工作的微波量子源，是采用低旁瓣波纹喇叭、极窄带微波滤波器和自由空间噪声衰减相结合而实现的，可以在常温下工作，无需专用的制冷设备。如图4所示，其基本组成为冷空、第一低旁瓣波纹喇叭和第二极窄带微波滤波器。
所述冷空中具有宇宙背景噪声加大气热噪声，宇宙背景噪声为2.7K左右，加上大气热噪声后一般为10K左右噪声。
所述第一低旁瓣波纹喇叭具有极低的旁瓣电平，不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声。
所述第二极窄带微波滤波器带宽在kHz量级，滤除掉带外噪声功率和干扰，剩下带内少量噪声和信号实现每微秒0.05～10个微波量子。
极窄带微波滤波器是本发明中的一个关键技术特征：
现有的微波带通滤波器通常采用波导滤波器形式实现，带宽只能达到百kHz量级，无法达到kHz水平。本发明中采用的极窄带微波滤波器通过将微波频率进行多级下变频滤波、声表面波滤波和多级上变频滤波，将通带带宽降低到kHz水平，无需低温制冷设备和环境，实现微波波段kHz极窄带微波带通滤波。
如图6所示，极窄带微波滤波器包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器和声表面波滤波器。
接收的微波信号输入到第一级下变频器中。
多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号。
所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器。
多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号。
将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
例如，当输入微波信号为X波段信号时：
第一级下变频器将X波段信号变频为L波段信号，采用L波段带通滤波器对L波段信号进行滤波，第二级下变频器将滤波后的L波段信号变频为中频信号，采用中频带通滤波器对中频信号进行滤波，第三级下变频器将滤波后的中频信号变频为视频信号(100kHz左右)；
声表面波滤波器对视频信号进行滤波，第一级上变频器将滤波后的视频信号上变频为中频信号，采用中频带通滤波器对上变频得到的中频信号进行滤波，第二级上变频器将上变频得到的经过滤波的中频信号变频为L波段信号，采用L波段带通滤波器对上变频得到的L波段信号进行滤波，第三级上变频器将上变频得到的经过滤波的L波段信号变频为X波段信号；
采用X波段带通滤波器对上变频得到的X波段信号进行滤波，实现X波段微波信号的kHz极窄带通滤波。
如图4所示，在常温条件，利用冷空的低温度，使得第一低旁瓣波纹喇叭收到的冷空热噪声等效为端接15K左右的冷负载；第一低旁瓣波纹喇叭输出的噪声通过第二极窄带微波滤波器后，总热噪声功率将降低到-180dBW功率水平，此时对应每20微秒约有一个单微波量子输出，即每微秒输出约0.05个微波量子数，等效为单微波量子源，因而噪声输出本身就构成一个典型热噪声单微波量子源。
当使用微波信号时，如图5所示，增加了微波信号源和第二低旁瓣波纹喇叭。所述第二低旁瓣波纹喇叭同样具有极低的旁瓣电平，避免旁瓣辐射到地面后反射到第一低旁瓣波纹喇叭中而引起多径效应，影响发射信号质量。所述第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，之间的自由空间实现信号和噪声同时衰减，降低了微波信号源热噪声和相位噪声等对最终信号质量的影响。
微波信号源发射一个微弱功率信号(-50dBm～-10dBm，根据第一低旁瓣波纹喇叭与第二低旁瓣波纹喇叭之间相对位置而改变)，由第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，经过自由空间衰减，将微波信号源发射的微波功率和伴随着的宽带热噪声功率(噪声温度一般超过290K)一并衰减，第一低旁瓣波纹喇叭接收到信号源中辐射的热噪声会衰减到一个远小于1K噪声温度的水平，该部分噪声与低旁瓣波纹喇叭收到的冷空热噪声相比，可以忽略不计。因此，从第一低旁瓣波纹喇叭输出的信号仅包括接收到的信号源发射的微波信号和从冷空接收的热噪声。
通过控制微波信号源发射功率大小，控制第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率，实现不同数率的单微波量子输出，例如使第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率约为-171.6dBW，则每微秒输出约一个单微波量子。该微波信号经过第二极窄带微波滤波器后微波量子数特性不变，噪声因滤波而量子数显著减少，和信号量子数相比较，占比小于10％，这样在第二极窄带微波滤波器后输出仍为每微秒平均输出约一个微波量子，微波信号输出结果符合微波量子源的定义和要求。
本发明中采用的单微波量子放大器借鉴了信号处理领域中的背越效应，将输入的单微波量子混合到宽带的噪声中，即将弱信号(单微波量子)混合到较强噪声信号中，低噪声线性放大器在常温条件下(液氮低温、液氦低温或者更低温度的效果更好)，利用低噪声线性放大器对成千上万个噪声信号的线性放大作用，即将较强噪声信号与单微波量子一起放大，然后利用极窄带微波滤波器，滤除掉带外较强噪声，保留带内信号，剩下单微波量子和少量噪声量子放大后的混合信号，当滤波器带宽相对于噪声带宽小很多时，输入混合信号中滤波器通带内噪声出现概率远小于单量子出现概率，所以放大后经过滤波剩余信号主要是对单微波量子放大的信号，也就是实现了单微波量子的放大。其中的宽带噪声起到了信号处理当中背越效应的作用。
如图6所示，单微波量子放大器包括宽带微波噪声源、微波低噪声线性放大器、微波隔离器和第一极窄带微波滤波器。首先将单微波量子源输出的待放大的单微波量子和宽带微波噪声源输出的热噪声一起输入到微波低噪声线性放大器中，形成较强的功率输入；该宽带微波噪声源也可以和单微波量子源共源。然后微波低噪声线性放大器对此混合信号一起进行放大；放大后的信号经过微波隔离器，该装置防止后面第一极窄带微波滤波器阻带反射对微波低噪声线性放大器性能的影响，将滤波器反射信号吸收；第一极窄带微波滤波器只允许微波极窄带通带内信号与噪声通过，滤除掉带外噪声，即通过该极窄带微波滤波器的信号等效为单微波量子源发射的单微波量子信号进行了放大，从而实现了单微波量子信号的放大。
下面给出本发明的具体实施例：
如图2所示，微波量子二阶相干性实验装置工作在室温环境下，工作波段为X波段。利用X波段微波量子源，以单微波量子形式或者数个单微波量子形式将信号输入到单微波量子放大器，该单微波量子放大器将单微波量子信号进行120dB放大，然后输入到微波功分器中，微波功分器将输入信号一分为二，分别进入左右两个通道。进入左侧通道的微波信号进入微波/光学上转换器装置中，对激光器输出的激光信号进行调制，在频谱上除原来激光载频外，出现多个边频。光学极窄带滤波器只保留一个边带信号，滤除掉所有载波、边带和带外杂散信号，只保留和输入微波信号相同特性的光学边带信号。右通道信号与左通道信号流程相同。左右两通道信号分别经过衰减与光学延迟装置后，分别进入光学单光子探测器，量子信号处理器装置将两个探测器输出的单微波量子探测结果进行采集和处理(按照微波量子二阶相干度公式进行仿真计算)，输出微波信号量子二阶相干度特性的结果，进而实现对X波段单微波量子探测器特性的检验以及对微波量子源特性的检验。
实施例2：
如图3所示，微波量子二阶相干性实验装置工作在室温环境下，工作波段为Ku波段。利用Ku波段微波量子源，以单微波量子形式或者数个单微波量子形式将信号输入到单微波量子放大器，该单微波量子放大器将少数几个微波量子信号进行50dB放大，然后输入到微波功分器中，微波功分器将输入信号一分为二，分别进入左右两个通道。进入左侧通道的微波信号进入微波/光学上转换器装置中，对激光器输出的激光信号进行调制，在频谱上除原来激光载频外，出现多个边频。光学极窄带滤波器只保留一个边带信号，滤除掉所有载波、边带和带外杂散信号，只保留和输入微波信号相同特性的光学边带信号。右通道信号与左通道信号流程相同。左右两通道信号分别经过衰减与光学延迟装置后，分别进入光学单光子探测器，量子信号处理器装置将两个探测器输出的单微波量子探测结果进行采集和处理(按照微波量子二阶相干度公式进行仿真计算)，输出微波信号量子二阶相干度特性的结果，进而实现对Ku波段单微波量子探测器特性的检验以及对微波量子源特性的检验。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：包括微波量子源、单微波量子放大器、微波功分器、激光器、微波/光学上转换器、光学极窄带滤波器、衰减与光学延时装置、单光子探测器及量子信号处理器；
所述微波量子源产生单微波量子输入到单微波量子放大器；单微波量子放大器将单微波量子放大后输入到微波功分器；微波功分器将输入信号一分为二，分别进入左右两个通道；
对于每个通道，激光器输出的激光信号和微波功分器输出的微波信号进入微波/光学上转换器，所述微波信号对激光信号进行调制；微波/光学上转换器输出信号输入光学极窄带滤波器进行滤波，只保留和所述微波信号相同特性的光学边带信号输出；光学极窄带滤波器输出信号经过衰减与光学延时装置后，进入单光子探测器；
左右两个通道的单光子探测器均输出至量子信号处理器；量子信号处理器对两个单光子探测器的输出进行采集和处理，输出微波信号量子二阶相干度特性结果。
2.根据权利要求1所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述单微波量子放大器包括宽带微波噪声源、微波低噪声线性放大器、微波隔离器和第一极窄带微波滤波器；
微波量子源输出的待放大的单微波量子和宽带微波噪声源输出的热噪声混合输入到微波低噪声线性放大器中；微波低噪声线性放大器对输入的混合信号进行放大；放大后的信号经过微波隔离器后，输入到第一极窄带微波滤波器；第一极窄带微波滤波器输出放大后的单微波量子；所述第一极窄带微波滤波器的带宽在kHz量级。
3.根据权利要求2所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述单微波量子放大器将输入的单微波量子进行50～120dB放大。
4.根据权利要求1或2所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：微波量子源包括冷空、第一低旁瓣波纹喇叭和第二极窄带微波滤波器；
所述冷空中具有宇宙背景噪声和大气热噪声；
所述第一低旁瓣波纹喇叭不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声；
所述第二极窄带微波滤波器接收第一低旁瓣波纹喇叭的输出信号，带宽在kHz量级。
5.根据权利要求4所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述单微波量子源还包括微波信号源和第二低旁瓣波纹喇叭；
微波信号源产生的微波信号经所述第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，第二低旁瓣波纹喇叭与第一低旁瓣波纹喇叭之间的自由空间实现信号和噪声同时衰减。
6.根据权利要求2或4所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述极窄带微波滤波器包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器和声表面波滤波器；
接收的微波信号输入到第一级下变频器中；
多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号；
所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器；
多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号；
将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
7.根据权利要求4所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：所述第二极窄带微波滤波器带内实现每微秒0.05～10个微波量子输出。
8.根据权利要求5所述一种基于二阶相干性测量的单微波量子检验装置，其特征在于：通过控制所述微波信号源发射功率大小，实现控制第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率，进而实现不同数率的单微波量子输出。
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