1. 量子光源表征概述

量子光源是能够按量子力学规律产生、操控并输出光场量子态的光源。它与激光最本质的区别在于：激光在强场极限下可近似为相干态，光子数统计服从泊松分布；而量子光源能够产生压缩态、单光子态、纠缠光子对、福克态等非经典态，其光子数分布、正交分量起伏或光子间关联无法用经典电磁理论描述。判断一个光源是否"量子"，通常看它是否违反某个经典不等式，例如二阶关联函数 g⁽²⁾(0) < 0.5 表明存在反聚束，压缩度超过散粒噪声极限表明正交分量被压缩，贝尔不等式违背则说明存在纠缠。

量子光源的分类

按产生机制与输出态，量子光源大致可分为四类。第一类是单光子源，包括基于半导体量子点的脉冲激发源、金刚石色心源、以及基于自发参量下转换（SPDC）的预报式单光子源，核心指标是单光子纯度、不可分辨性和效率。第二类是压缩光源，典型实现是光学参量振荡器（OPO）中的参量下转换，输出正交压缩态或偏振压缩态，用于突破散粒噪声极限的干涉测量。第三类是纠缠光源，通过 SPDC 或四波混频产生偏振纠缠、时间-能量纠缠或路径纠缠光子对，是量子通信与量子计算的核心资源。第四类是确定性量子发射体，如原子、离子、超导量子比特耦合的微波-光转换器等，强调按需发射与高保真度。

频谱与时间特性为何是核心

量子光源的"频谱"与"时间"特性并非附属参数，而是决定量子信息能否被正确传输、存储与干涉的关键。原因在于：任何两个独立光源发生干涉时，只有频谱模式高度重叠，干涉可见度才高；若频谱不匹配，Hong-Ou-Mandel 干涉的凹陷深度会显著下降，纠缠交换与量子中继的保真度随之恶化。时间特性同样关键——光子波包的时间宽度决定了它与原子、腔、量子存储器的耦合效率，也决定了探测系统的时间分辨要求。频谱与时间通过傅里叶变换互为共轭：频谱越窄，相干时间越长；频谱越宽，时间波包越短。因此表征工作必须同时覆盖频域与时域，并验证二者的一致性。

表征技术的整体框架

完整的量子光源表征通常包含三个层次。第一层是频域表征，使用光谱仪、法布里-珀罗干涉仪或外差探测测量光源的频谱分布、线宽和边模抑制比。对于 SPDC 光源，频谱宽度通常在 0.1–10 THz 量级，需用高分辨率光谱仪或扫描 FP 腔测量。第二层是时域表征，核心工具是 Hanbury Brown-Twiss（HBT）实验：将光分束到两个单光子探测器，用时间数字转换器（TDC）记录符合计数，得到二阶关联函数 g⁽²⁾(τ)。对于脉冲光源，g⁽²⁾(0) 直接反映单光子纯度；对于连续光源，则通过时间延迟扫描获得关联曲线。第三层是干涉表征，包括 Hong-Ou-Mandel 干涉测量光子不可分辨性、马赫-曾德尔干涉测量相位相干性、以及贝尔不等式测量验证纠缠。

关键指标与判据

表征结果最终归结为若干可量化的指标。单光子纯度由 g⁽²⁾(0) 描述，理想单光子源 g⁽²⁾(0) = 0，实验上通常要求 g⁽²⁾(0) < 0.5 以证明反聚束。压缩度以 dB 为单位，表示正交分量噪声低于散粒噪声极限的程度，典型 OPO 压缩源可达到 10 dB 以上。干涉可见度反映两个光子波包的重叠程度，HOM 干涉凹陷深度接近 1 时表明光子几乎完全不可分辨。频谱纯度则描述光源在目标模式上的能量占比，高纯度是量子中继和线性光学量子计算的前提。此外，探测效率、暗计数、时间抖动等系统参数也会直接影响表征结果的可靠性，需要在数据分析中予以扣除或修正。

从指标到实验判断

以预报式单光子源为例，假设 SPDC 产生的光子对经分束后一路作为预报、一路作为信号，信号光进入 HBT 装置。若在零延迟处测得符合计数率 R_coinc(0) 与偶然符合计数率 R_acc 之比为 0.2，则 g⁽²⁾(0) ≈ 0.2，说明单光子纯度较好。若该比值接近 1，则表明光源存在多光子成分或背景光过强，需要降低泵浦功率或增加窄带滤波。类似地，在压缩光测量中，若平衡零拍探测的噪声功率谱在某个频率处低于散粒噪声基准 6 dB，则压缩度为 6 dB；若低于基准的频段很窄，说明压缩带宽有限，需检查 OPO 腔线宽与探测带宽是否匹配。

综上，量子光源表征不是单一仪器的测量，而是频域、时域、干涉三类实验相互印证的系统工程。掌握光源分类、理解频谱与时间的共轭关系、熟悉 g⁽²⁾(0)、压缩度、可见度等核心判据，是后续深入学习具体表征技术的基础。