单光子探测器研究论文

想象一下这样的场景，对动物大声喊叫，然后就能从回音中分辨出它是狗还是马。也许你会以为这样的事情离我们很遥远，但是一个科学团队已经完成了这种摄影效果。

近期发表在 Optica 期刊上的一篇新论文中，英国、意大利和荷兰的研究人员描述了一种全新的制作动画 3D 图像的方法： 通过捕捉光子的时间信息，而不是其空间坐标 。

研究人员通过调整光线反射到一个探测器上的时间，来提取出一个场景的三维图像，这项被称为时间成像的新技术展示了一种机器学习的重要用途。

时间成像系统比普通成像具有一定的优势。例如， 新系统取像会非常快 ，可能以每秒 1000 帧的速度工作；而且这种粗略而快速的 3D 成像 可能具有多种应用 ，如用作自动驾驶 汽车 的摄像头，以提高寻路的准确性和应急速度，以及用于移动设备和 健康 监视器发展 360° 感知能力；最重要的是， 这种收集时间数据的单点探测器体积小、重量轻且价格便宜。

照片和视频通常是通过使用数字传感器捕获光子（光的组成部分）来制作的，即环境光会反射物体，镜头将它聚焦在由微小的光敏元件或像素组成的屏幕上。图像是由反射光产生的亮斑和暗斑形成的图案。

以最普通的数码相机为例，它由数百像素组成，这些像素通过检测光在每个空间点的强度和颜色来形成图像。

同时，可以通过在物体周围放置若干个摄像机，并从多个角度对物体进行拍摄，或者利用光子流扫描物体，并在三维中重建它来生成 3D 图像。但无论使用何种方式，图像都是通过收集场景的空间信息来构建的。

近几十年来，研究人员发明了一种更巧妙的方法，仅利用单个像素探测器即可捕捉到图像。为了做到这一点，他们不是把物体暴露在均匀的光照下，而是暴露在不同的光照模式下，这些闪光类似于包装上的方形条形码。

每个图案都会反射出物体的不同部分，因此像素测量的光强度会随图案的变化而变化。通过跟踪这些变化，研究人员可以重建物体的图像。

现如今，格拉斯哥大学的数据科学家 Alex Turpin 和物理学家 Daniele Faccio 及他们的同事，发明了一种方法来生成具有单个像素但是没有图案化闪光的 3D 图像。他们利用闪电般快速的单光子探测器，以均匀的闪光照亮了一个场景，并简单地测量了反射时间。

探测器的精度为四分之一纳秒，可以计算出到达的光子数量与时间的函数关系，研究人员仅凭这些信息即可重建场

这是一种新奇的方法，因为原则上场景中物体的排列和时间信息之间没有一一对应的关系。例如，从探测器 3 米远的任何表面反射的光子，无论朝向表面的任意方向，都将在 10 纳秒内到达。

而所谓的飞行时间相机可以增加深度，通过精确计算从物体反射到不同像素的闪光时间来制作 3D 图像。

新型的 3D 成像设备从一个简单、廉价的单点检测器开始，这种探测器被调整为充当光子的秒表。与测量颜色和强度空间分布的相机不同，探测器仅记录由瞬间激光脉冲产生的光子从任意给定场景中的每个物体反弹并到达传感器所需的时间。 物体距离越远，每个反射光子到达传感器所需的时间就越长 。

有关场景中反射的每个光子的时间信息（研究人员称为时间数据）都收集在一个非常简单的图表中。

然后，借助复杂的神经网络算法将这些图转换为 3D 图像。研究人员对算法进行了训练，向它展示了团队在实验室中移动和携带物体的数千张常规照片，以及同时由单点检测器捕获的时间数据。同时，他们还使用了一个非飞行时间的摄影机来拍摄场景的真实 3D 图像。

最终，这种神经网络已经足够了解时间数据与照片的对应关系，从而仅凭时间数据就可以创建高度准确的图像。它与飞行时间相机相比，时间图像模糊且缺乏细节。然而，却清楚地揭示了人们的形态。

加州大学伯克利分校的计算机科学家兼电气工程师 Laura Waller 表示：“乍一看，这种模棱两可的方法似乎使问题无法解决。单像素成像，当我第一次听到这个概念时，我想，这应该行得通。但仔细一想，这应该不起作用。”

格拉斯哥大学计算科学学院数据科学研究员 Alex Turpin 博士说：“如果我们只考虑空间信息，而单点探测器没有空间信息，所以单像素成像是不可能的。然而，这样的探测器仍然可以提供有价值的时间信息。与传统图像制作不同的是，我们的方法能够完全将光与过程分离。”

而且为了能实现这一目的，Alex Turpin及其同事采用了一种称为神经网络的机器学习程序，在使用数据集训练神经网络后，该程序能够自行对场景中移动的人进行成像。

与传统的摄像机不同的是，收集时间数据的单点探测器体积小、重量轻且价格便宜，这意味着它们可以轻松地添加到现有系统中， 例如被用作自动驾驶 汽车 的摄像头，以提高寻路的准确性和刹车反应速度 。

另外，它们可以增强移动设备中现有的传感器，例如 Google Pixel 4，该传感器已经具有基于雷达技术的简单手势识别系统，甚至可以用下一代技术来监视医院患者胸腔的上升和下降，提醒着患者的呼吸变化或跟踪运动，从而用符合数据安全的方式了来确保他们的安全。

Alex Turpin 博士补充说：“我们对自己开发的系统的潜力感到非常兴奋，我们期待着继续挖掘其潜力。我们的下一步目标是开发一个独立的、便携式的即装即用系统，我们迫切希望开始研究我们的选择，并通过商业合作伙伴的帮助进一步开展研究。”

本文中的光、光子除特别说明，均理解为一切频率。

张笃一,傻中傻霸两位网友的论证都很有力。傻中傻霸的例子中之所以杯子没有热效应，而水却产生热效应，这恐怕不是电磁理论可以定量说明的，不过我对电磁场理论只是个门外汉，我这么说，完全出于其它方面的认识，可以说是臆测吧，欢迎网友指正。

张笃一网友说：“还是我上次说的那句，这个现象可以用量子理论解释也可以用经典理论解释”，并且说“正如低速运动我们无需用相对论只要用牛顿力学即适用”。言下之意，电磁场理论是量子理论的低频下的近似（我这么理解大致是可以的吧，如果是我的错误理解，请见后文对该问题的论证）。既然如此，他实质上就接受了量子理论是更正确的，那么量子化的假设就可以认为是正确的，至少在没有新理论出现前比电磁场理论更正确。

就我所知，凡是涉及电磁波与实物的相互作用时，光子说总是成立的。既然成立，就可在一定程度上表明，它的理论出发点光的量子化是正确的，至少没有更好的理论（但量子化或光子究竟是物理实在，还仅是个数学工具或模型，恐怕现在还没人回答。关键是我们是否能“看到”单个的光子，正如我们已经可以“看到”单个原子，据称有人还“看到”了单个电子。但量子力学又禁止我们“看到”至少是低能的光子。例如1mm波长的微波，这是微波中的能量上限，按测不准原理，其位置不确定度近似为波长，1mm的不确定度对光子而言，是天文距离的吧。我们的处境非常尴尬，想彻底证明却没法证明，想证伪可眼下没发现它有什么错）

因此，我们目前只能在量子力学的框架下，来验证其假设的正确性，而不能完全证明其正确性。只有当我们的观测不能用量子理论说明的时候，那时才有必要考虑抛弃量子化假说。

光的量子性和物质的能级结构是密切关联的，实际上是量子论的一对孪生兄弟。二者都是一种假设，并无直接实验证据。假设的正确性只能根据它们导出的结论与大量实验很好的符合被验证。如前所述，我们至今未发现有任何明显的反例存在，但即便如此，对相同的结论是否可能由另一套“非量子性”假设导出，我们不得而知，但可能性是存在的。如果哪一天发现了不可调和的矛盾，量子力学真走到了山穷水尽的地步，相信总会有人提出更好的理论的。现在来看，还不是时候。如果没有历史上那几朵乌云，很可能普朗克、爱因斯坦和玻尔是谁我们没一个人会知道。

所以严格看来，我前文提出的实验论据核磁共振和微波炉其实也不能证明无线电波和微波的量子化，只能说明在这两个波段量子论仍然自洽，并能成功解释现象。

下面回到楼主的问题，具体讨论微波和转动能级。这里的讨论仍然在量子论的框架下进行。我主要从发射光谱的角度来阐述问题，吸收光谱是其逆过程，本质上一样。微波炉的微波发生器的工作细节我不清楚（但同样属于发射光谱），吸收过程的光谱行为我也没有具体资料，因此无法就此深入讨论。稍后再简单进一步讨论。

但气体分子的转动光谱（一般处于远红外一直可延伸到微波段，具体大小取决于特定分子转动能级的大小）已被大量详尽地研究，气态分子在较低温度下（数十K）的纯转动光谱是典型的线状光谱，并几乎等间距。在温度较低时，分子平均平动能较小，相互碰撞时一般不足以引发电子能级和振动能级的跃迁（不排除个别能量大的分子可引发这两种能级的跃迁），但温度只要不是太低，碰撞时即可能引起转动能级的跃迁，即平动能减小，转动能增加。分子位于转动高能级时，又自发辐射远红外或微波光子。其发射的线状光谱就表明了转动能级的量子化，等间距就表明了分子相邻转动能级之间的间隔相等（该推断虽然未必一定正确，但除此之外我们找不到更好的解释）。

附图中列出了HCl分子的转动光谱数据，表中的计算值是利用对非刚性转子模型进行量子力学计算得出的。可以看出量子理论计算值和实验值的相符程度很高。

其中实验测得的最小波数为，波长处于远红外光区，已接近微波光区。如果分子量更大的气体分子，根据理论计算，它们的辐射频率将出现在微波区。如果楼主想实验验证某一微波频率的话，具体方法可参考有关文献,我相信有人做过类似的工作。

需要说明的是，分子更大，相应频率更低时，分子能级间隔更小，谱线相互靠的更近，需要使用更高分辨率的分光系统，将它们分得足够远以致可辨。还有个较难避免的困难在于多普勒变宽和自吸效应这两个因素的存在将大大增加谱线宽度，通常比测不准原理所限定的自然宽度大几个数量级，从而造成谱线的重叠，用再好的分光系统也不可能分开。我怀疑附图中123三条线没有数据可能与此有关。另一个重要原因，可能是在试验温度下实际最低能级并非基态，很可能是第二激发态，如果知道温度的话应该是可以计算的。还有可能与分子无规运动时偶然的分子间作用（对大量分子而言就不是偶然了）引起平动能的显著量子化有关（造成转动能级跃迁的同时伴随平动能级的跃迁，从而使谱线成为带状）。因未看到原图，上述判断仅是臆测。记忆中以前看到过纯转动光谱似乎每条线都有，宽度也较窄，一时想不起来在哪见过。

上面讨论的都是气体分子，如果是液体和固体，分子间的相互作用将使转动能级结构变得极为复杂（正如固体中电子能级的结构一样）。据我很有限的知识，目前还没有很好的理论。至于其实验数据我也没有资料，但相信能级间隔会变小，对应的吸收发射频率会红移。这可以解释微波炉对水有显著的热效应。但可以预料的是，微波吸收谱会是近似连续的，而不会像气体那样出现线状光谱，正因如此，连续的电磁场理论才可能解释该现象。如果是水蒸汽，根据前面HCl的数据估计，很可能不足以引起转动能级的跃迁，不会明显表现热效应。

最后再补充一个直接验证微波量子性的实验，电子自旋共振ESR。其原理与核磁共振有类似之处，它是由微波与电子自旋在磁场中的分裂的能级之间产生的相互作用，当光子能量满足该能级差时将可能被吸收产生信号。由于应用范围较窄，故没有核磁共振普及，本人也未用过。楼主欲知详情可参考一些现代分析方法和仪器的教材和专著。百度百科上的介绍过于简单，恐帮助不大。。楼主想亲自验证的话可与有该仪器的高校联系，不过个人认为意义不大，不太可能发现用量子力学无法说明的现象，同时如前所述要严格证明量子性也不可能（如果你不认可该实验所依据的原理，一定要寻求严格证明）。

----------------------------------------------------------------------

看到楼上“大作业F”朋友的解答，忍不住想再说两句。这位朋友说的第三种方法，我没见过，不知是否有人做过，但我想说想用任何方法“看见”微波光子恐怕是不可能的（前文已有说明，不妨再说几句。姑且假定能做到一束微波就是一“串”光子，每个光子间隔1mm，呵呵这一串光子的确粒粒可数，但每个光子的能量分散在1mm方圆内，一万年以后有没有人能发明探测这样小强度光的高灵敏装置，我不清楚，目前是没戏）。另外目前看来，无论采用何种光子计数器，所谓的数目都是用绝对光强折算出来的，而不是一个一个“数出”来的。其它的微波探测技术产生的信号也必是连续的（除非像刚才一样每隔1mm一个），当然人为调制例外。

-----------------------------------------------------------------------

我查了一下中文期刊（检索工具‘中国期刊全文数据库’目前最全的中文科技数据库），涉及微波谱测量的文献两篇，微波谱理论文章若干篇。测量文献如下：

1.甄梦章. 反-1-氟-2-丁烯的微波谱、红外和拉曼光谱、构象分析、内转动位垒以及振动分析[J]. 化学推进剂与高分子材料, 1987,(02)

2.王关忠, 陆中贞. 上海天文台铯钟改进束光学系统后的微波谱[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 1991,(00)

楼主想要全文（其中有测量数据，和谱图，属于明显的线状光谱）可向我索取。

国外该方面的观测数据我猜想应较多。楼主想要验证可补充问题，我将给出检索结果。

ESR研究中文文献较多，简单检索有2000余篇。例如：

1.煤及其液化产物的~(13)C CP/MAS/TOSS NMR和ESR研究。波谱学杂志, Chinese Journal of Magnetic Resonance,  2010年 02期

2.王广清, 杜立波, 张冬艳, 徐元超, 贺曾, 田秋, 贾宏瑛, 刘扬. 链接琥珀酰亚胺的线性硝酮的合成与ESR研究[J]. 波谱学杂志, 2010,(01)

NMR测量那就不计其数了全球至少100万篇以上。核磁共振应用太广泛了，基本已属于研究中的常规武器。

--------------------------------------------------------------------------------------------------

呵呵，我开头也误解为楼主一定要寻求严格的证明（至少是不逊于黑体辐射的证明），属于“固执”一派，于是就尽我所知列出了几个堪比黑体辐射的验证实验，试图打消楼主“怀疑一切”的想法。看了楼主的上文说明，看来我等都狭隘了。不过在具体的测试细节上，我猜想楼主当是目前参与本帖讨论的网友中最具权威的人士，我本人对楼主的专业问题就帮不上任何忙了，毕竟测试涉及的电学、光学的细节问题的复杂程度不是非行内人士所能想象的。

-----------------------------------------------------------------

针对“一个微波量子的热效应变化难道就能使电偶的输出有相应的变化？”我们来做个非常粗略的计算。以能量最高的300GHz微波量子为例，一个量子的能量为-22次方J量级。假定热电偶的接触点质量为1mg，比热为1J/gK，吸收一个量子后接触点的温升为-19次方K量级（温度是个宏观概念这么算其实是有问题的，不过只关心数量级的话，估计数量级不会差太多），热电偶的温差电动率通常为数十微伏每开，不妨假定采用性能优异的热电偶可达1mV/K.这样算来，一个微波量子产生的电动势大约在-22次方V的量级。

且不说这个电动势能否被相对准确测量（其难度楼主应比我清楚），先说环境温度的影响，很明显任何原因造成的温度波动必须小于-19次方K，测量结果才有意义，这个温度控制恐怕太困难了。换句话说，要想测定一个微波量子的温差电效应的前提是：在现有仪器可以分辨的时段内，热电偶的一端保证只吸收一个量子，另一端必须保证绝无净吸收或净发射一个量子的可能性（不吸收或发射是决不可能的）。这个可能性目前看来是不存在的。所以我倾向于认为试图利用微波热效应进而转换为电效应加以测量的方法证实微波的量子性是不太现实的。

现实的方法还是光谱、波谱法。光谱波谱法的验证不依赖于辐射强度，无论用多大的强度谱线的位置不变，正如光电效应那样。楼主有兴趣的话可以参考前人是如何在仪器上实现测量的。对它们的工作细节我也不清楚，无法更多讨论。

另外单光子技术以前没太留意过，我前文中关于光子计数的观点可能落伍了（我一直认为是累积效应）。看了一下网上有《红外单光子探测器的研制》中科大07年的博士论文，摘要中说“成功的探测到了1550nm单光子脉冲”应视为能探测到的最小频率的光子（离可见区的末端很有限）。从理论上说，微波可以借鉴这一方法，但实现的前提还是寻找到逸出功极小的光电材料。

近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队与济南量子技术研究院团队合作，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统。 前述团队在完成光纤双场量子密钥分发(TF-QKD)同时，实现了658公里的远距离光纤传感，定位精度达到1公里，大幅突破了传统光纤振动传感技术难以超过100公里的距离限制。相关成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被美国物理学会(APS)下属网站“Physics”报道。 量子密钥分发(QKD)则基于量子力学基本原理，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的保密通信。因为其重要的现实意义，QKD一直是过去几十年来国际学术界的研究热点。2018年提出的TF-QKD协议，可以突破QKD成码率的线性界限，被认为是实现超远距离光纤QKD的最优方案。然而，TF-QKD技术要求相当苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子干涉。而光源频率微小的偏差以及光纤链路的任何波动，都会积累相位噪声而降低单光子干涉的质量。 在实际应用中，沿光纤链路的声音、振动等噪声不可避免，因此，TF-QKD实验过程中需要实时探测环境噪声引起的光纤相位变化，并对其进行实时或数据后处理补偿。一般来说，这些相位变化的信息在QKD实验结束后会被丢弃。但事实上，这些“冗余”信息反映了光纤中透射光的实时相位变化，可能来源于沿光纤链路的振动扰动或者温度漂移。通过分析这些相位变化信息，再结合振动的一些特性，即可获得振动信息并进行定位，从而实现超远距离光纤振动传感。 此次，中国科学技术大学潘建伟、张强研究组基于济南量子技术研究院王向斌提出的“发”或“不发送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)协议，利用时频传输等关键技术，精确控制两台独立激光器(Alice和Bob)的频率。团队与中科大陈旸和赵东锋合作，利用附加相位参考光来估算光纤的相对相位快速漂移，恢复了加载在光纤信道上的人工可控振源产生的外部扰动，并结合中科院上海微系统所尤立星团队研制的高计数率低噪声单光子探测器，最终实现了658公里的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感，对链路上人工振源的扰动位置进行了定位，精度优于1公里。 “我们展示了不在TF-QKD网络添加新的光纤或硬件情况下，收集振动传感数据的可能性。”张强说道。 TF-QKD实验由两个位于光纤两端的光学装置组成，分别名为Alice和Bob。每个装置产生一个随机的比特串，并将其作为光信号通过光纤发送到一个名为Charlie的中间节点，两种信号在此相互干扰，所得到的光信号随后被传输回Alice和Bob，并利用干扰结果生成一个共享密钥。 研究团队表示，前述实验系统可以用来检测地震振动，其方法是安装一个压电装置，使Alice的光纤在特定位置振动，频率设置在1到1000Hz（赫兹）之间，在地震传感范围内。其振动产生的相位变化在到50弧度（1弧度为角度）之间，系统可以捕捉到这些变化。张强表示，地震波应该会产生更大的相位变化，在几百到几千弧度之间。团队对频率校准链路进行了类似测试，即在TF-QKD系统上用一根单独的光纤来锁定Alice和Bob激光器的频率，并使用这一链路来精确定位振动源的位置，精度为1公里。 “未来基于这项新技术的QKD网络，可以从已有光纤中提供有用的地震相关信息。”英国国家物理实验室(NPL)量子专家Giuseppe Marra说道。 前述成果表明，TF-QKD网络架构不仅能实现超长距离分发安全密钥，同时也能应用于超长距离振动传感，实现广域量子通信网和光纤传感网的融合，以及用于探测和定位地震。 论文第一作者为中国科学技术大学博士生陈玖朋和张驰，前述研究获得 科技 部、自然科学基金委、中科院、山东省和安徽省等的资助。 校对：栾梦

量子态超空间转移理论是量子信息理论的重要组成部分。量子态超空间转移，也称量子隐形传态、量子远程传态、量子离物传态或量子传真这种非局域关联或称非局域作用能使量子态从一个地方无需媒介瞬间转移到另一个地方，以至遥远的天边。爱因斯坦在1947年3月给玻恩的信中称非局域作用为幽灵般的远距离作用我们先探讨量子纠缠从何而来。这要从量子干涉现象谈起，在弱光的双缝干涉实验中，探测屏上出现的微小斑点清楚显示光子有一个点状的部分，即有一个反映能量集中的峰，而出现的干涉条纹好像暗示它还具有鲜为人知的峰外部分，因而自然推想条纹起因于被双缝割出的含峰片与不含峰片的自身联合。我们再探讨量子是如何纠缠的。前面所述的那对辅助光子是用高功率激光在非线性晶体中产生的纠缠光子，通常说，其中光子A发到1处，光子B发到2处，其实这种说法无异于视光子为经典实体。如果视光子为上面所述那样的量子实体，则可以设想，当光子B的含峰片包括其平面电磁波向2方向运动时，它的一个不含峰片包括其平面电磁波同时跟着光子A的含峰片走，如影随形、永不分离，且二者与生俱来叠加干涉

微波热效应应该不能验证微波的粒子性，利用经典的电磁理论可以解释这一效应，可以看成是电场极化，受迫振动。还是我上次说的那句，这个现象可以用量子理论解释也可以用经典理论解释，不能来证明粒子性。正如低速运动我们无需用相对论只要用牛顿力学即适用。 我的观点基本和caoyuannust一致，我们无法去确切的证明微波的量子特性，但是可以在量子框架内进行验证，只要我们还没有实验证据表明利用这一假定定量的解释出现明显错误，我们既可认为其数学表述和物理假定是适用的。我们所用的论证手段不是直接证明量子性，而是应该指出某一现象其他理论失效而唯有量子理论可以定量解释。 Lz试图去证实微波是一份一份给吸收的，这个难度比较大，据我所知，现在的单光子检测技术都是基于光电效应的基础上来的。caoyuannust也指出如果要在微波热效应的中观测到量子性，低温是必不可少的条件，否则平动动能将掩盖其效应。电子自旋共振ESR，这个个人认为是最具说服力的，因为它和经典理论不符，只能依靠量子理论来解释。