01 背景介紹

在現代量子技術領域，單光子作為量子信息的最小載體，其精準操控與探測技術已成為量子通信網絡建設、量子計算機研發、超靈敏量子傳感等前沿領域的核心基石。

特別是在高校量子力學教學實踐中，如何突破傳統實驗設備的性能局限，打通量子理論教學與實驗驗證的“最后一公里”，構建直觀可靠的單光子觀測系統，成為推動量子技術普及的關鍵環節！

某量子測控公司是一家專注于量子教學科普與高端精密儀器的高科技企業，致力于推動量子教學儀器與高精尖設備的自主化與國產化。為了豐富高校量子實驗教學，他們推出了一款共聚焦單光子探測儀，旨在通過精準的單光子信號驗證，讓量子技術走進課堂。

由于該客戶的數據事例率頻率為60kHz-80kHz，采用傳統示波器方案存在海量數據處理瓶頸、多通道同步精度不足、設備集成度低等痛點，中科采象依托自主研發的量子級數據采集系統，實現了突破性創新，為單光子探測提供了高效、精準的解決方案。

02 解決方案

針對單光子計數測量技術中的信號采集與數據存儲需求，中科采象提供的高性能單光子技術測量解決方案具備高速、高精度、高同步性及便攜化等特點，全面適應實驗與教學的需求：

高速高精度采集：采用四通道1GSPS采樣率、16-bit分辨率的數字化儀，獨立接收兩個APD的上升沿信號，精準記錄光子到達的絕對時間（光子事件）。

納秒級死時間：每個通道的死時間小于1ns，確保高效捕捉連續光子事件，避免信號遺漏。

高同步精度：通道間同步精度高達10ps，滿足多通道信號的精確同步采集需求。

超高時間分辨率：時間分辨率＜10ps，可清晰分辨光子到達的先后順序或同時性，為判定單光子發射特性提供關鍵支持。

模塊化設計：數字化儀與機箱采用小型化設計，便于攜帶和部署，滿足教學系統的靈活使用需求。

產品推薦 | 1GSPS、16-bit、DC耦合高速數字化儀——PXIe-X1073

此外，為滿足單光子探測儀在暗箱體積限制下的便攜式教學需求，中科采象采用小型化PXIe兩槽機箱設計，結合雷電接口技術，可直接連接筆記本電腦進行數據采集與操作。這一設計不僅大幅縮小了設備體積，還實現了教學系統的高度便攜化，方便在實驗室、課堂等多種場景中靈活部署與使用。

圖1 單光子數據測量采集系統

圖2 客戶現場使用圖

03 方案優勢

相較于常規示波器方案，中科采象推出的高性能單光子技術測量解決方案，具備小型化設計、高信噪比、高采集精度、高時間分辨率（＜10ps）、寬動態范圍以及高效數據傳輸等優勢，有效滿足單光子探測的高性能需求。

圖3 中科采象方案 vs 常規示波器：性能對比

04

應用成效

某量子測控公司采用中科采象的高性能采集系統，成功驗證了單光子信號特征，直接證明了共聚焦單光子探測儀的成功研制。這一成果為該公司教學實驗系統的研發帶來了突破性進展，推動了量子技術在教學與科研中的實際應用。

圖4 使用客戶反饋的測試結果

上圖展示了客戶使用中科采象采集系統采集的數據，并通過二階關聯函數算法生成的擬合圖（定義x軸最小變化量：Δ=10ps）。該算法的本質是將τ時間內采集的N1×N2個離散τ值繪制成關于時間的直方圖（histogram），縱坐標表示符合計數。可以形象地理解為將N1×N2個小球放入盒子中，觀察小球的分布情況，可能存在某些盒子可能裝滿了小球，而另一些盒子可能為空。

通過大量數據采集與計算，單光子源背后的物理規律得以揭示。統計學的核心理念正是通過分析小樣本數據來推斷整體群體的信息。使用單光子探測器與高速數字化儀收集信號，并根據其二階關聯函數 G(2)(τ)判斷是否為單光子信號。單光子信號的一個重要特征是其在τ= 0 處呈現明顯的凹陷，且G(2)(τ)在歸一化之后小于0.4（論證值＜0.5），這一特征在擬合圖中清晰可見，驗證了單光子信號的存在及其統計特性。

隨著我國量子科技"十四五"規劃全面推進，未來，中科采象將持續以數據采集技術創新為支點，在量子精密測量、量子網絡建設、量子計算驗證等關鍵領域提供核心數據支撐，助力構建自主可控的量子科技產業生態。