[发明专利]一种基于手性系统的无损单光子探测装置及方法

权利要求书

1.一种基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，单光子从第一光纤装置接收端进入第一光纤装置中，并近乎无损的将单光子从第一光纤装置的输出端耦合到耦合了发射子的一维手性结构中，在耦合了发射子的一维手性结构中的发射子与单光子发生相互作用，该相互作用结束后发射子波函数状态中的基态几率幅改变了±π相移，而单光子不被原子吸收，仍然保持原有特性不变，然后，单光子从第二光纤耦合装置的接收端进入第二光纤耦合装置中，并近乎无损的从第二光纤耦合装置的输出端中透射出来。

2.根据权利要求1所述的基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，所述耦合了发射子的一维手性结构耦合一个发射子或多个发射子；

所述发射子与单光子发生相互作用是指单光子被发射子吸收，发射子中处于基态上的电子从基态跃迁到激发态上，再通过发射子的自发辐射过程电子又回到基态上，并同时发射出单光子的过程；此过程中单光子经历了被吸收又被发射的过程，其相互作用前后状态不改变；而发射子经历了被单光子激发到激发态，再通过自发辐射回到基态的过程，其作用前后发射子波函数中的基态几率幅改变了±π相移。

3.根据权利要求2所述的基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，所述发射子是有类似原子离散能级结构的物质；

所述耦合了发射子的一维手性结构中发射子与一维手性结构的耦合是将发射子掺杂在一维手性结构中，或利用激光冷却技术将发射子囚禁在一维手性结构外侧。

4.根据权利要求1所述的基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，所述耦合了发射子的一维手性结构所能传导的光学模式是单偏振态单模式的，耦合的发射子所在的位置是一维手性结构的完全圆偏振模式处；

所述耦合了发射子的一维手性结构中的发射子应制备在选定的基态和激发态的最大叠加态上其中|0表示选定的发射子的基态，|1表示选定的发射子的激发态。

5.根据权利要求1所述的基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，所述发射子与单光子发生相互作用后，发射子波函数状态中的基态几率幅和单光子透射率分别是：

T(Δ)＝|t(Δ)|² (2)

公式(1)中的Δ＝ω₁₀-ν为失谐量，其中ω₁₀表示发射子两个选定能级|1和|0间的跃迁频率，ν表示入射的被探测的单光子频率，γ表示发射子两个选定能级间的自发辐射衰减强度，Γ表示发射子与单光子的耦合强度，i表示虚数单位，t(Δ)表示单光子与发射子相互作用后，发射子波函数中的基态几率幅，φ(Δ)表示发射子波函数中的基态几率幅的相位变化，T(Δ)表示单光子与发射子相互作用后，单光子的透射率。

6.根据权利要求1所述的基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，当无探测单光子出现和有探测单光子出现时，在不出现探测误差的情况下，发射子的波函数状态分别表示如下：

无探测单光子通过时发射子所处的波函数状态：

有探测单光子通过时发射子所处的波函数状态：

7.根据权利要求1所述的基于手性系统的无损单光子探测方法，其特征在于，所述耦合了发射子的一维手性结构与发射子应处于强耦合状态下，其耦合强度Γ要在40倍的自发辐射衰减强度以上即Γ≥40γ，且探测频率在|Δ|≤5γ范围内的单光子，可达到近乎无损且高效的单光子探测效果；此条件下发射子与单光子相互作用后发射子的波函数状态为其发射子的波函数中的基态|0的几率幅近乎改变了±π相移，由于±π相移的存在，后续利用原子态检测技术对原子状态进行检测即可判断是否有单光子入射。

8.一种权利要求1至7任一项所述的方法所使用的基于手性系统的无损单光子探测装置，其特征在于，是由第一光纤装置、耦合了发射子的一维手性结构、第二光纤耦合装置组成，所述第一光纤装置包括接收端和输出端，所述第二光纤耦合装置包括接收端和输出端，所述第一光纤装置的输出端与所述耦合了发射子的一维手性结构的一端连接，所述耦合了发射子的一维手性结构的另一端与所述第二光纤耦合装置的接收端连接。