單光子源性能表征及測量方法-編制說明

《單光子源性能表征及測量方法》

國家標準

編制說明

（征求意見稿）

2023年3月12日

《單光子源性能表征及測量方法》國家標準

編制說明

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源及協(xié)作單位

2021年10月13日，國家標準化管理委員會發(fā)布《關(guān)于下達2021年第三批

推薦性國家標準計劃和46項推薦性國家標準外文版計劃的通知》（國標委發(fā)

〔2021〕23號），下達了《單光子源性能表征及測量方法》推薦性國家標準的制

定任務(wù)，計劃號：20214291-T-469，項目周期24個月。本項目由全國量子計算

與測量標準化技術(shù)委員會（SAC/TC578）提出并歸口，由中國計量科學(xué)研究院，

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、中科院上海微系統(tǒng)所、華

東師范大學(xué)、中國計量大學(xué)、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國電

子科技集團公司第四十一研究所、中國電子信息集團有限公司、山西大學(xué)等單位

共同負責標準起草。其中，中國計量科學(xué)研究院為該標準起草工作的牽頭單位。

（二）制訂背景

單光子源在量子通訊、量子計算、量子增強成像等新興量子技術(shù)中扮演著重

要的角色。國家在十九屆五中全會上發(fā)布的《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標

的建議》中明確表示，瞄準量子信息等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性

的國家重大科技項目，是未來科技創(chuàng)新工作的重點內(nèi)容。高性能單光子源能夠作

為一種新的量子計量標準，為單光子探測器的精確校準、量子隨機數(shù)的產(chǎn)生、量

子密鑰分配、亞散粒噪聲計量等前沿量子科學(xué)領(lǐng)域研發(fā)和成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化服務(wù)，準

確地表征單光子源的發(fā)光性能，對完善量子技術(shù)體系尤其量子測量標準化體系具

有重要作用。

目前國內(nèi)外對于單光子源的研制和性能評估的研究發(fā)展地很快，國際光度與

光輻射咨詢委員會(CCPR)在最新的戰(zhàn)略文件中明確寫明了發(fā)展新型穩(wěn)定的單光

子源、降低單光子量級下的光輻射測量不確定度是未來的主要發(fā)展方向之一。但

是，目前各相關(guān)研究機構(gòu)尚未實現(xiàn)對單光子源發(fā)光性能表征方法的統(tǒng)一。歐盟計

量組織初步開展了對單光子源發(fā)光性能的國際比對工作，但是也尚未形成完整的

1

標準文件，這為比較不同單光子源的發(fā)光性能帶來混淆和概念不清。

因此，需要對單光子源性能表征過程中產(chǎn)生的術(shù)語進行統(tǒng)一，規(guī)定描述單光

子源性能的主要指標和測量方法，使單光子源性能的比較具有科學(xué)性和一致性，

以進一步促進單光子源研究和應(yīng)用的發(fā)展。

（三）主要工作過程

1.成立標準起草工作組

2021年10月，接到國家標準化管理委員會《單光子源性能表征及測量方法》

計劃下達通知，全國量子計算與測量標準化技術(shù)委員會（TC578）與牽頭起草單

位中國計量科學(xué)研究院商議后，立即啟動標準起草工作。

2021年11月，TC578發(fā)布關(guān)于公開征集《光鐘性能表征及測試方法》等五

項推薦性國家標準計劃項目起草單位和起草專家的通知》。截止2021年12月10

日，《單光子源性能表征及測量方法》標準共收到14家單位24位專家的申請表。

根據(jù)申請情況，結(jié)合申報單位情況、專家研究經(jīng)驗與標準編制工作安排，最終確

定來自10家單位的18位專家加入標準起草工作，成立標準起草工作組。

2.編制標準草案初稿

經(jīng)過一番準備與部署，2022年3月，在TC578的支持下，中國計量科學(xué)研

究院組織召開標準啟動會暨第一次研討會（會議相關(guān)文件見附件1）。第一次研

討會以視頻會議形式進行，會上標準起草工作組就標準草案框架和主要內(nèi)容進行

詳細討論，最終初步確定標準框架，包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、

單光子源的分類、單光子源的性能表征、儀器設(shè)備和測量方法7個部分。

3.組織召開標準內(nèi)部研討會和專家咨詢會，編制完成標準草案

2022年4月-8月，中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合其中來自華東師范大學(xué)、中國

科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國計量大學(xué)的3位專家成立標準起草核心工作組，通過分工合

作、收集資料、文獻調(diào)研、實驗數(shù)據(jù)整理、交流研討等諸多方式，補充完善標準

草案稿。

4.編制標準征求意見稿及編制說明征求意見稿

2023年1月，在TC578的支持下，中國計量科學(xué)研究院組織召開標準研討

會（會議相關(guān)文件見附件2）。研討會以視頻會議形式進行，會上標準起草工作組

就標準草案各章節(jié)主要條款逐條進行詳細討論，最終就標準范圍、術(shù)語和定義部

2

分達成共識，并對儀器設(shè)備、單光子源的性能表征和測量方法部分形成修改建議。

經(jīng)過修改完善，最終形成標準征求意見稿及編制說明征求意見稿。

（四）主要參與單位、工作組成員及工作

本標準由中國計量科學(xué)研究院牽頭，主要參與的起草單位有中國科學(xué)技術(shù)大

學(xué)、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、中科院上海微系統(tǒng)所、華東師范大學(xué)、中

國計量大學(xué)、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國電子科技集團公司

第四十一研究所、中國電子信息集團有限公司、山西大學(xué)等。

主要起草人員及工作如表1所示：

表1標準起草人員及主要工作

序號工作單位主要工作

牽頭標準預(yù)研，負責全面制訂工作，包括制訂

1中國計量科學(xué)研究院計劃推進、草案編寫、組織討論和綜合意見建

議等

科大國盾量子技術(shù)股份有參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

2

限公司單光子源分類提出修改意見

參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

3華東師范大學(xué)

單光子源分類提出修改意見

參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

4中國計量大學(xué)

單光子源性能表征提出修改意見

中國電子科技集團公司第參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

5

四十一研究所單光子源性能表征提出修改意見

參與標準預(yù)研，參與標準討論并提供意見，重

6中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)點對單光子源術(shù)語定義、測量方法提出修改意

見

中科院上海微系統(tǒng)與信息參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

7

技術(shù)研究所單光子源分類提出修改意見

中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有參與標準討論并提供意見，重點對單光子源儀

8

限公司器設(shè)備和測量方法提出修改意見

深圳中國計量科學(xué)研究院參與標準討論并提供意見，重點對單光子源儀

9

技術(shù)創(chuàng)新研究院器設(shè)備和測量方法提出修改意見

參與標準討論并提供意見，重點對單光子源術(shù)

10山西大學(xué)

語定義、測量方法提出修改意見

二、標準編制原則和主要技術(shù)內(nèi)容

（一）標準編制原則

本標準文件遵循GB/T1.1-2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件

的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》和GB/T20001.4《標準編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標準》

的規(guī)則起草。

3

(1)在國內(nèi)當前的技術(shù)條件下實現(xiàn)標準化目標具有完全可能性；

(2)本項目的技術(shù)與主流技術(shù)發(fā)展方向相符合；

(3)當前技術(shù)條件下標準可實現(xiàn)。

（二）確定標準主要內(nèi)容的依據(jù)

國際層面目前尚未形成較為系統(tǒng)成熟的單光子源性能表征方法標準。國內(nèi)各

研究單位在自主研發(fā)單光子源的過程中，也對單光子源的性能進行了評估，但是

目前對性能參數(shù)指標和測量方法尚未統(tǒng)一，國內(nèi)也沒有相應(yīng)的國家標準或行業(yè)標

準。

本標準在單光子源性能表征的指標選取上，重點瞄準在單光子源應(yīng)用于相關(guān)

行業(yè)中所涉及到的重點參數(shù)；在測試方法選擇上，盡量選用實驗室普遍采用的分

析技術(shù)和儀器，選擇準確、可行和便于操作的分析條件，以保證檢測方法的可操

作性和可重復(fù)性。

（三）標準主要技術(shù)內(nèi)容說明

本標準規(guī)定了表征單光子源性能的參數(shù)和測量方法，適用于單光子源的性能

評價和測試。

本標準的主要技術(shù)內(nèi)容包括：1范圍、2規(guī)范性引用文件、3術(shù)語和定義、

4單光子源的分類、5單光子源的性能表征、6儀器設(shè)備、7測量方法。

三、試驗驗證情況說明

分別根據(jù)本標準所規(guī)定的單光子純度和光子通量測量方法，對SiV單光子源

的單光子純度和光子通量進行測試驗證，結(jié)果如下：

1.單光子純度測試

金剛石SiV為典型的固體單光子源，通過光致激勵使SiV發(fā)射光子后，利用

HBT干涉儀，對發(fā)射光子進行二階關(guān)聯(lián)統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示，通過實驗，測得

該SiV單光子源在τ=0時刻的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，即g(2)(0)的值為0.095，表面待

測的單光子源具有較好的單光子純度。

4

圖1.SiV單光子源的HBT實驗結(jié)果，表示SiV單光子源的二階關(guān)聯(lián)程度

2.光子通量測試

通過使用量子效率經(jīng)過標定的光子探測器，對待測SiV單光子源在不同激勵

功率下的光子通量進行測量，其結(jié)果如圖2所示。現(xiàn)有的SiV單光子源在一定的

激勵功率范圍內(nèi)，隨著激勵功率的增加，單光子源的出射光子通量隨之增加。

圖2.SiV單光子源在不同激勵功率下的光子通量測試結(jié)果

3.光子全同度測試

根據(jù)標準規(guī)定的方法，如圖3所示，將待測單光子源出射光通過50/50分束

器分束后，分別導(dǎo)入兩個光子探測器D1和D2，并通過時間關(guān)聯(lián)計數(shù)裝置，測量在

兩個光路入射時間差Δτ下兩個探測器同時探測到光子的事件數(shù)Nc，并根據(jù)相應(yīng)

公式計算可見度Vm以表征光子全同度，該測試條件下光子全同度為95.9%。

5

圖3.單光子源光子全同度測試結(jié)果

通過對上述試驗結(jié)果的驗證分析，說明本標準目前在國內(nèi)可以有效實施。

四、標準與其他國際、國外相關(guān)文件的關(guān)系

無。

五、標準與其他法律、法規(guī)、標準等的關(guān)系

經(jīng)查，本標準與現(xiàn)有標準及制定中的標準無交叉重復(fù)，不涉及國內(nèi)外專利，

與有關(guān)的現(xiàn)行法律法規(guī)和強制性國家標準無沖突。

六、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

無。

七、標準實施情況的建議和說明

本標準屬于基礎(chǔ)性標準，根據(jù)標準化法的相關(guān)規(guī)定，建議本標準為推薦性國

家標準。

本標準的實施，將為我國的單光子源性能測試與表征提供規(guī)范，有利于單光

子源在量子信息等前沿領(lǐng)域的規(guī)范應(yīng)用，使單光子源性能的比較具有科學(xué)性和一

致性，以進一步促進單光子源研究和應(yīng)用的發(fā)展。

八、其他應(yīng)予說明的事項

無。

《單光子源性能表征及測量方法》國家標準編寫工作組

2023年3月12日

6

目次

一、工作簡況.................................................................1

（一）任務(wù)來源及協(xié)作單位.................................................................................................................1

（二）制訂背景........................................................................................................................................1

（三）主要工作過程...............................................................................................................................2

（四）主要參與單位、工作組成員及工作......................................................................................3

二、標準編制原則和主要技術(shù)內(nèi)容...............................................3

（一）標準編制原則...............................................................................................................................3

（二）確定標準主要內(nèi)容的依據(jù)........................................................................................................4

（三）標準主要技術(shù)內(nèi)容說明.............................................................................................................4

三、試驗驗證情況說明.........................................................4

四、標準與其他國際、國外相關(guān)文件的關(guān)系.......................................6

五、標準與其他法律、法規(guī)、標準等的關(guān)系.......................................6

六、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù).............................................6

七、標準實施情況的建議和說明.................................................6

八、其他應(yīng)予說明的事項.......................................................6

I

《單光子源性能表征及測量方法》國家標準

編制說明

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源及協(xié)作單位

2021年10月13日，國家標準化管理委員會發(fā)布《關(guān)于下達2021年第三批

推薦性國家標準計劃和46項推薦性國家標準外文版計劃的通知》（國標委發(fā)

〔2021〕23號），下達了《單光子源性能表征及測量方法》推薦性國家標準的制

定任務(wù)，計劃號：20214291-T-469，項目周期24個月。本項目由全國量子計算

與測量標準化技術(shù)委員會（SAC/TC578）提出并歸口，由中國計量科學(xué)研究院，

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、中科院上海微系統(tǒng)所、華

東師范大學(xué)、中國計量大學(xué)、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國電

子科技集團公司第四十一研究所、中國電子信息集團有限公司、山西大學(xué)等單位

共同負責標準起草。其中，中國計量科學(xué)研究院為該標準起草工作的牽頭單位。

（二）制訂背景

單光子源在量子通訊、量子計算、量子增強成像等新興量子技術(shù)中扮演著重

要的角色。國家在十九屆五中全會上發(fā)布的《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標

的建議》中明確表示，瞄準量子信息等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性

的國家重大科技項目，是未來科技創(chuàng)新工作的重點內(nèi)容。高性能單光子源能夠作

為一種新的量子計量標準，為單光子探測器的精確校準、量子隨機數(shù)的產(chǎn)生、量

子密鑰分配、亞散粒噪聲計量等前沿量子科學(xué)領(lǐng)域研發(fā)和成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化服務(wù)，準

確地表征單光子源的發(fā)光性能，對完善量子技術(shù)體系尤其量子測量標準化體系具

有重要作用。

目前國內(nèi)外對于單光子源的研制和性能評估的研究發(fā)展地很快，國際光度與

光輻射咨詢委員會(CCPR)在最新的戰(zhàn)略文件中明確寫明了發(fā)展新型穩(wěn)定的單光

子源、降低單光子量級下的光輻射測量不確定度是未來的主要發(fā)展方向之一。但

是，目前各相關(guān)研究機構(gòu)尚未實現(xiàn)對單光子源發(fā)光性能表征方法的統(tǒng)一。歐盟計

量組織初步開展了對單光子源發(fā)光性能的國際比對工作，但是也尚未形成完整的

1

標準文件，這為比較不同單光子源的發(fā)光性能帶來混淆和概念不清。

因此，需要對單光子源性能表征過程中產(chǎn)生的術(shù)語進行統(tǒng)一，規(guī)定描述單光

子源性能的主要指標和測量方法，使單光子源性能的比較具有科學(xué)性和一致性，

以進一步促進單光子源研究和應(yīng)用的發(fā)展。

（三）主要工作過程

1.成立標準起草工作組

2021年10月，接到國家標準化管理委員會《單光子源性能表征及測量方法》

計劃下達通知，全國量子計算與測量標準化技術(shù)委員會（TC578）與牽頭起草單

位中國計量科學(xué)研究院商議后，立即啟動標準起草工作。

2021年11月，TC578發(fā)布關(guān)于公開征集《光鐘性能表征及測試方法》等五

項推薦性國家標準計劃項目起草單位和起草專家的通知》。截止2021年12月10

日，《單光子源性能表征及測量方法》標準共收到14家單位24位專家的申請表。

根據(jù)申請情況，結(jié)合申報單位情況、專家研究經(jīng)驗與標準編制工作安排，最終確

定來自10家單位的18位專家加入標準起草工作，成立標準起草工作組。

2.編制標準草案初稿

經(jīng)過一番準備與部署，2022年3月，在TC578的支持下，中國計量科學(xué)研

究院組織召開標準啟動會暨第一次研討會（會議相關(guān)文件見附件1）。第一次研

討會以視頻會議形式進行，會上標準起草工作組就標準草案框架和主要內(nèi)容進行

詳細討論，最終初步確定標準框架，包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、

單光子源的分類、單光子源的性能表征、儀器設(shè)備和測量方法7個部分。

3.組織召開標準內(nèi)部研討會和專家咨詢會，編制完成標準草案

2022年4月-8月，中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合其中來自華東師范大學(xué)、中國

科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國計量大學(xué)的3位專家成立標準起草核心工作組，通過分工合

作、收集資料、文獻調(diào)研、實驗數(shù)據(jù)整理、交流研討等諸多方式，補充完善標準

草案稿。

4.編制標準征求意見稿及編制說明征求意見稿

2023年1月，在TC578的支持下，中國計量科學(xué)研究院組織召開標準研討

會（會議相關(guān)文件見附件2）。研討會以視頻會議形式進行，會上標準起草工作組

就標準草案各章節(jié)主要條款逐條進行詳細討論，最終就標準范圍、術(shù)語和定義部

2

分達成共識，并對儀器設(shè)備、單光子源的性能表征和測量方法部分形成修改建議。

經(jīng)過修改完善，最終形成標準征求意見稿及編制說明征求意見稿。

（四）主要參與單位、工作組成員及工作

本標準由中國計量科學(xué)研究院牽頭，主要參與的起草單位有中國科學(xué)技術(shù)大

學(xué)、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、中科院上海微系統(tǒng)所、華東師范大學(xué)、中

國計量大學(xué)、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國電子科技集團公司

第四十一研究所、中國電子信息集團有限公司、山西大學(xué)等。

主要起草人員及工作如表1所示：

表1標準起草人員及主要工作

序號工作單位主要工作

牽頭標準預(yù)研，負責全面制訂工作，包括制訂

1中國計量科學(xué)研究院計劃推進、草案編寫、組織討論和綜合意見建

議等

科大國盾量子技術(shù)股份有參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

2

限公司單光子源分類提出修改意見

參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

3華東師范大學(xué)

單光子源分類提出修改意見

參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

4中國計量大學(xué)

單光子源性能表征提出修改意見

中國電子科技集團公司第參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

5

四十一研究所單光子源性能表征提出修改意見

參與標準預(yù)研，參與標準討論并提供意見，重

6中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)點對單光子源術(shù)語定義、測量方法提出修改意

見

中科院上海微系統(tǒng)與信息參與標準預(yù)研，參與討論并提供意見，重點對

7

技術(shù)研究所單光子源分類提出修改意見

中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有參與標準討論并提供意見，重點對單光子源儀

8

限公司器設(shè)備和測量方法提出修改意見

深圳中國計量科學(xué)研究院參與標準討論并提供意見，重點對單光子源儀

9

技術(shù)創(chuàng)新研究院器設(shè)備和測量方法提出修改意見

參與標準討論并提供意見，重點對單光子源術(shù)

10山西大學(xué)

語定義、測量方法提出修改意見

二、標準編制原則和主要技術(shù)內(nèi)容

（一）標準編制原則

本標準文件遵循GB/T1.1-2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件

的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》和GB/T20001.4《標準編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標準》

的規(guī)則起草。

3

(1)在國內(nèi)當前的技術(shù)條件下實現(xiàn)標準化目標具有完全可能性；

(2)本項目的技術(shù)與主流技術(shù)發(fā)展方向相符合；

(3)當前技術(shù)條件下標準可實現(xiàn)。

（二）確定標準主要內(nèi)容的依據(jù)

國際層面目前尚未形成較為系統(tǒng)成熟的單光子源性能表征方法標準。國內(nèi)各

研究單位在自主研發(fā)單光子源的過程中，也對單光子源的性能進行了評估，但是

目前對性能參數(shù)指標和測量方法尚未統(tǒng)一，國內(nèi)也沒有相應(yīng)的國家標準或行業(yè)標

準。

本標準在單光子源性能表征的指標選取上，重點瞄準在