本发明涉及量子物理应用领域，尤其是量子信息技术工程应用领域，具体涉及一种单光子源单光子输出系统及控制方法。
背景技术：
单光子源技术在量子信息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用；尤其是在量子信息领域，如量子通信、量子计算、量子测量，单光子源技术已经成为该领域发展不可或缺的核心关键技术之一；由于量子信息技术利用单个基本粒子如光子等对信息进行编码和操控，因此对单光子源提出了极其苛刻的性能要求，如单光子输出速率、单光子脉冲的最大输出频率、单光子之间的最小间隔时间等，远超出现有器件所能实现的性能指标；为了满足这些日益增长的应用需求，本领域研究人员在不断的改进传统的单光子源；单光子源器件的功能是完成电信号到光信号的转换，由接收到的电信号脉冲流作为触发信号，而产生单光子脉冲流；单光子源器件的输出单光子脉冲流速率，受到生成效率等多种因素的制约；高输出速率的单光子源不但价格高而且受到国外高技术封锁的限制，为了解决单光子源器件生成单光子速率的限制问题。
因此，亟需提供一种能有效提高提高单光子输出速率的单光子源单光子输出系统及控制方法。
技术实现要素：
本发明提供一种单光子源单光子输出系统及控制方法，其目的是采用n个相同性能的单光子源单元并行工作将电信号转换为n个并行的光信号，利用n×1光开关实现光信号的并串变换，不降低每个单光子源的效率的前提下有效提高单光子源的单光子输出速率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种单光子源单光子输出系统，其改进之处在于，所述系统包括：串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)、n×1光开关(3)和控制器(4)；
所述串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)、n×1光开关(3)依次连接；
所述控制器(4)分别与串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)和n×1光开关(3)双向连接；
串/并转换单元(1)与单光子源单元组(2)通过n根相同性能相同长度的同类型电缆连接，单光子源单元组(2)与n×1光开关(3)通过n根相同性能相同长度的同类型光纤连接。
优选地，所述串/并转换单元(1)，用于将输入端1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号；
所述串/并转换单元(1)包括1×n电开关或先进先出的串/并转换单元；
所述1×n电开关是旋转式的微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)1×n电开关。
优选地，所述单光子源单元组(2)，用于通过n个相同性能的单光子源单元将n路并行的电信号转换为n路并行的光信号；
所述单光子源单元组(2)由n个相同性能的单光子源单元并行排列组成，n取正整数；
所述单光子源单元是独立的单光子源或单光子源阵列器件；
所述单光子源包括参量下转换单光子源、量子点单光子源、纳米天线单光子源；
所述单光子源阵列包括参量下转换单光子源阵列器件、量子点单光子源阵列器件、纳米天线单光子源阵列器件；
单光子源阵列器件由相同的单光子源单元并行排列组成并封装在一起。
优选地，所述n×1光开关(3)，用于将n路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
所述n×1光开关(3)包括机械式光开关、波导光开关和微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)光开关。
优选地，所述控制器(4)，用于控制所述串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)和n×1光开关(3)的工作频率同步、工作时间同步和工作状态同步；所述控制器(4)为串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)和n×1光开关(3)提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器(4)包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、铷原子钟、铯原子钟；
所述外部接口包括irig-bdc码时钟信号接口、触发脉冲输入/输出接口、rs232管理接口、usb接口；
所述控制器(4)提取进入到串/并转换单元(1)输入端的输入电信号中的频率和相位同步信息。
如上述任一项所述的单光子源单光子输出系统的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：
输入1路高速串行电信号，串/并转换单元(1)将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号；
单光子源单元组(2)通过n个相同性能的单光子源单元并行工作分别将n路并行的电信号转换为n路并行的光信号；
利用n×1光开关(3)将n路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
其中，单光子源单元x的输入端经过电缆连接串/并转换单元(1)输出端的第x路电信号，单光子源单元x的输出端经过光纤连接n×1光开关(3)输入端的第x路光信号，1≤x≤n。
优选地，所述串/并转换单元(1)将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号，包括：
所述串/并转换单元(1)由控制器(4)控制完成输入电信号的串/并转换，将1路串行的电信号，转换为n路并行的电信号，n取正整数；
所述串/并转换单元(1)由控制器(4)控制，周期性地以1到n等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的电信号中的n个串行电脉冲；
所述串/并转换单元(1)由控制器(4)控制，其导通时间为通过1个电脉冲的时间间隔，每个电脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过串/并转换单元(1)；
所述串/并转换单元(1)输出端的第x路电信号关联对应n×1光开关(3)输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组(2)中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元(1)输出端的第x路电信号、n×1光开关(3)输入端的第x路光信号，其中1≤x≤n。
优选地，所述单光子源单元组(2)通过n个相同性能的单光子源单元并行工作分别将n路并行的电信号转换为n路并行的光信号，包括：
所述单光子源单元组(2)由控制器(4)控制，保证单光子源单元组(2)中的n个单光子源单元之间的工作频率同步、工作时间同步和工作状态保持同步。
优选地，所述利用n×1光开关(3)将n路并行的光信号转换为1路串行的光信号，包括：
所述n×1光开关(3)由控制器控制(4)，周期性地以1到n等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的光信号中的n个串行光脉冲；
所述n×1光开关(3)由控制器控制(4)，保持其工作时间、工作频率和工作状态与所述串/并转换单元(1)的工作时间、工作频率和工作状态同步，将n路并行的输入光信号，转换为1路串行的光信号，n取正整数；
所述单光子源单元组(2)中的第1个至第n个单光子源单元共计输出n路并行光信号，每周期中该n路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，每个光脉冲在光开关导通时间间隔的中点左右通过n×1光开关(3)，该n路并行的光信号通过n×1光开关(3)转换为1路串行的光信号输出。
优选地，所述控制器(4)控制串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)和n×1光开关(3)的功能执行；
所述控制器(4)为串/并转换单元(1)、单光子源单元组(2)和n×1光开关(3)提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器(4)保证串/并转换单元(1)周期性地轮询工作与n×1光开关(3)周期性地轮询工作相互关联，实现一一对应关系，串/并转换单元(1)输出端的第x路电信号关联对应n×1光开关(3)输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组(2)中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元(1)输出端的第x路电信号、n×1光开关(3)输入端的第x路光信号，其中1≤x≤n；
其中，时钟同步信号包括工作频率同步信号、工作相位同步信号和工作时间同步信号，告警信息为故障告警信息。
与现有技术相比本发明还具有如下有益效果：
1.本发明采用的技术方案通过串/并转换单元将输入端高速串行电脉冲信号转换为低码速率的n路并行的电脉冲信号，由n个相同型号、相同性能的单光子源单元分别转换为n个并行的光信号，再经过n×1光开关，实现光信号的并/串变换，输出高速单光子光脉冲信号；在生成效率不降低的情况下，能够正常输出n倍于单个单光子源器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，达到了提高单光子源系统的输出码速率的效果。
2.本发明采用的技术方案通过n个相同性能的单光子源并行工作，不降低每个单光子源的效率，来缩短整个系统的单光子的最小间隔时间，且最小间隔时间不为0而保证单光子性，整个系统的输出单光子的最小间隔时间是单个单光子源的n分之一，增大了输出单光子的密集度；集成创新，优化了系统性能指标。
3.本发明采用的技术方案通过n个相同性能的单光子源并行工作，不降低每个单光子源的效率，整个系统的单光子脉冲的最大输出频率提高到了n倍于单个单光子源。
4.本发明采用的技术方案，通过n个低速率的廉价单光子源代替1个高速的昂贵单光子源，解决了高输出速率的单光子源不但价格高而且受到国外高技术封锁的限制问题，具有优良的经济性和实用性。
5.本发明采用的技术方案通过n个相同性能的单光子源器件并行工作，来提高整个系统的单光子的输出速率，改善单光子源的技术指标，为多通道单光子源器件以及单光子源阵列提供了一种应用场景，进而从应用的角度，推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(photonicintegratedcircuit，pic)的工程应用。
6.本发明采用的技术方案通过n个相同性能的单光子源器件并行工作，来提高整个系统的单光子的输出速率，改善单光子源的技术指标，提升量子通信技术水平，进而满足量子通信日益增长的需求。因为，量子通信中的三项核心技术分别是单光子源技术、量子编码与传输技术和单光子检测技术。
7.本发明采用的技术方案，提高了单光子的输出速率，改善了单光子源的技术指标，能推进提升量子逻辑门的速度和精度，在量子计算(quantumcomputation)以及量子计算机(quantumcomputer)领域，具有积极的促进作用。
8.本发明采用的技术方案提高了单光子的输出速率，改善了单光子源的技术指标，提升了光子源系统的技术水平，实现了高速单光子源系统的解决方案，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射性探测、高能物理、天文测光、激光测距、激光雷达等领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明单光子源单光子输出系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的单光子源单光子输出系统的串/并转换单元电信号时序关系图；
图3为本发明实施例的单光子源单光子输出系统的n×1光开关控制逻辑图；
图4为本发明实施例的单光子源单光子输出系统的n×1光开关工作方式示意图；
图5为本发明实施例的单光子源单光子输出系统的n×1光开关信号时序关系图；
图6为本发明实施例1单光子输出速率提高为四倍的单光子源单光子输出系统的结构示意图；
图7为本发明实施例1单光子输出速率提高为四倍的单光子源单光子输出系统的1×4电开关示意图；
图8为本发明实施例2单光子输出速率提高为十六倍的单光子源单光子输出系统的结构示意图；
图9为本发明实施例3单光子输出速率提高为六十四倍的单光子源单光子输出系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种单光子源单光子输出系统及控制方法，下面进行说明。
由量子力学理论可知，单个光子是光的不可再分的量子极限，光能量的最小单位是一个光子，因此，光源能力的一种极限是实现单个光子的可控制输出。
单光子源器件的输出单光子脉冲流速率，受到生成效率等多种因素的制约。高输出速率的单光子源不但价格高而且受到国外高技术封锁的限制，为了解决单光子源器件生成单光子速率的限制问题。本发明涉及一种单光子源提高单光子输出速率的系统及方法，包括依次连接的串/并转换单元、单光子源单元组、n×1光开关，以及与其双向连接的控制器。来缩短单光子之间的最小间隔时间，提高单光子输出速率，解决了高速单光子源器件的技术与经济性的限制问题。
如图1示出了本发明单光子源单光子输出系统的结构示意图，如图1所示，该系统可以包括：
串/并转换单元1、单光子源单元组2、n×1光开关3和控制器4；
所述串/并转换单元1、单光子源单元组2、n×1光开关3依次连接；
所述控制器4分别与串/并转换单元1、单光子源单元组2和n×1光开关3双向连接；
串/并转换单元1与单光子源单元组2通过n根相同性能相同长度的同类型电缆连接，单光子源单元组2与n×1光开关3通过n根相同性能相同长度的同类型光纤连接。
其中，所述串/并转换单元1，用于将输入端1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号；
所述串/并转换单元1可以包括1×n电开关或先进先出的串/并转换单元；
所述1×n电开关是旋转式的微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)1×n电开关。
所述单光子源单元组2，用于通过n个相同性能的单光子源单元将n路并行的电信号转换为n路并行的光信号；
所述单光子源单元组2由n个相同性能的单光子源单元并行排列组成，n取正整数；
所述单光子源单元是独立的单光子源或单光子源阵列器件；
所述单光子源可以包括参量下转换单光子源、量子点单光子源、纳米天线单光子源；
所述单光子源阵列可以包括参量下转换单光子源阵列器件、量子点单光子源阵列器件、纳米天线单光子源阵列器件；
单光子源阵列器件由相同的单光子源单元并行排列组成并封装在一起。
具体地，所述n×1光开关3，用于将n路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
所述n×1光开关3可以包括机械式光开关、波导光开关和微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)光开关。
所述控制器4，用于控制所述串/并转换单元1、单光子源单元组2和n×1光开关3的工作频率同步、工作时间同步和工作状态同步；所述控制器4为串/并转换单元1、单光子源单元组2和n×1光开关3提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器4可以包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源可以包括恒温晶振、铷原子钟、铯原子钟；
所述外部接口可以包括irig-bdc码时钟信号接口、触发脉冲输入/输出接口、rs232管理接口、usb接口；
所述控制器4提取进入到串/并转换单元1输入端的输入电信号中的频率和相位同步信息。
一种单光子源单光子输出系统的控制方法，所述方法可以包括：
输入1路高速串行电信号，串/并转换单元1将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号；
单光子源单元组2通过n个相同性能的单光子源单元并行工作分别将n路并行的电信号转换为n路并行的光信号；
利用n×1光开关3将n路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
其中，单光子源单元x的输入端经过电缆连接串/并转换单元1输出端的第x路电信号，单光子源单元x的输出端经过光纤连接n×1光开关3输入端的第x路光信号，1≤x≤n。
图2示出了本发明实施例的单光子源单光子输出系统的串/并转换单元电信号时序关系图；如图2所示，所述串/并转换单元1将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号，可以包括：
所述串/并转换单元1由控制器4控制完成输入电信号的串/并转换，将1路串行的电信号，转换为n路并行的电信号，n取正整数；
所述串/并转换单元1由控制器4控制，周期性地以1到n等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的电信号中的n个串行电脉冲；
所述串/并转换单元1由控制器4控制，其导通时间为通过1个电脉冲的时间间隔，每个电脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过串/并转换单元1；
所述串/并转换单元1输出端的第x路电信号关联对应n×1光开关3输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组2中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元1输出端的第x路电信号、n×1光开关3输入端的第x路光信号，其中1≤x≤n。
所述单光子源单元组2通过n个相同性能的单光子源单元并行工作分别将n路并行的电信号转换为n路并行的光信号，可以包括：
所述单光子源单元组2由控制器4控制，保证单光子源单元组2中的n个单光子源单元之间的工作频率同步、工作时间同步和工作状态保持同步。
其中，所述利用n×1光开关3将n路并行的光信号转换为1路串行的光信号，可以包括：
图3示出了本发明实施例的单光子源单光子输出系统控制方法的n×1光开关控制逻辑图，如图3所示，所述n×1光开关3由控制器控制(4)，周期性地以1到n等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的光信号中的n个串行光脉冲；
图4示出了本发明实施例的单光子源单光子输出系统的n×1光开关示意图，如图4所示，所述n×1光开关3由控制器控制(4)，保持其工作时间、工作频率和工作状态与所述串/并转换单元1的工作时间、工作频率和工作状态同步，将n路并行的输入光信号，转换为1路串行的光信号，n取正整数；
图5示出了本发明实施例的单光子源单光子输出系统的n×1光开关信号时序关系图，如图5所示，所述单光子源单元组2中的第1个至第n个单光子源单元共计输出n路并行光信号，每周期中该n路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，每个光脉冲在光开关导通时间间隔的中点左右通过n×1光开关3，该n路并行的光信号通过n×1光开关3转换为1路串行的光信号输出。
具体地，所述控制器4控制串/并转换单元1、单光子源单元组2和n×1光开关3的功能执行；
所述控制器4为串/并转换单元1、单光子源单元组2和n×1光开关3提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器4保证串/并转换单元1周期性地轮询工作与n×1光开关3周期性地轮询工作相互关联，实现一一对应关系，串/并转换单元1输出端的第x路电信号关联对应n×1光开关3输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组2中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元1输出端的第x路电信号、n×1光开关3输入端的第x路光信号，其中1≤x≤n；
其中，时钟同步信号可以包括工作频率同步信号、工作相位同步信号和工作时间同步信号，告警信息为故障告警信息。
实施例1
图6示出了本发明实施例1单光子输出速率提高为四倍的单光子源单光子输出系统的结构示意图，如图6所示，该系统可以包括：
串/并转换单元、单光子源单元组、4×1光开关和控制器；
所述串/并转换单元、单光子源单元组、4×1光开关依次连接；
所述控制器分别与串/并转换单元、单光子源单元组和4×1光开关双向连接；
串/并转换单元与单光子源单元组通过4根相同性能相同长度的同类型电缆连接，单光子源单元组与4×1光开关通过4根相同性能相同长度的同类型光纤连接。
其中，所述串/并转换单元，用于将输入端1路高速串行电信号转换为低码速率的4路并行的电信号；
所述串/并转换单元可以包括1×4电开关或先进先出的串/并转换单元；
所述1×4电开关是旋转式的微机电系统1×4电开关。
图7示出了本发明实施例1单光子输出速率提高为四倍的单光子源单光子输出系统的1×4电开关工作方式示意图；
所述单光子源单元组，用于通过4个相同性能的单光子源单元将4路并行的电信号转换为4路并行的光信号；
所述单光子源单元组由4个相同性能的单光子源单元并行排列组成，取n＝4；
所述单光子源单元是独立的单光子源或单光子源阵列器件；
所述单光子源包括参量下转换单光子源、量子点单光子源、纳米天线单光子源；
所述单光子源阵列包括参量下转换单光子源阵列器件、量子点单光子源阵列器件、纳米天线单光子源阵列器件；
单光子源阵列器件由相同的单光子源单元并行排列组成并封装在一起。
所述4×1光开关，用于将4路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
所述4×1光开关包括机械式光开关、波导光开关和微机电系统光开关。
所述控制器，用于控制所述串/并转换单元、单光子源单元组和4×1光开关的工作频率同步、工作时间同步和工作状态同步；所述控制器为串/并转换单元、单光子源单元组和4×1光开关提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、铷原子钟、铯原子钟；
所述外部接口包括irig-bdc码时钟信号接口、触发脉冲输入/输出接口、rs232管理接口、usb接口；
所述控制器提取进入到串/并转换单元输入端的输入电信号中的频率和相位同步信息。
一种单光子源单光子输出系统的控制方法，所述方法可以包括：
输入1路高速串行电信号，串/并转换单元将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的4路并行的电信号；
单光子源单元组通过4个相同性能的单光子源单元并行工作分别将4路并行的电信号转换为4路并行的光信号；
利用4×1光开关将4路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
其中，单光子源单元x的输入端经过电缆连接串/并转换单元输出端的第x路电信号，单光子源单元x的输出端经过光纤连接4×1光开关输入端的第x路光信号，1≤x≤4。
所述串/并转换单元将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的4路并行的电信号，包括：
所述串/并转换单元由控制器控制完成输入电信号的串/并转换，将1路串行的电信号，转换为4路并行的电信号，4取正整数；
所述串/并转换单元由控制器控制，周期性地以1到4等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的电信号中的4个串行电脉冲；
所述串/并转换单元由控制器控制，其导通时间为通过1个电脉冲的时间间隔，每个电脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过串/并转换单元；
所述串/并转换单元输出端的第x路电信号关联对应4×1光开关输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元输出端的第x路电信号、4×1光开关输入端的第x路光信号，其中1≤x≤4。
所述单光子源单元组通过4个相同性能的单光子源单元并行工作分别将4路并行的电信号转换为4路并行的光信号，包括：
所述单光子源单元组由控制器控制，保证单光子源单元组中的4个单光子源单元之间的工作频率同步、工作时间同步和工作状态保持同步。
所述利用4×1光开关将4路并行的光信号转换为1路串行的光信号，包括：
所述4×1光开关由控制器控制，周期性地以1到4等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的光信号中的4个串行光脉冲；
所述4×1光开关由控制器控制，保持其工作时间、工作频率和工作状态与所述串/并转换单元的工作时间、工作频率和工作状态同步，将4路并行的输入光信号，转换为1路串行的光信号；
所述单光子源单元组中的第1个至第4个单光子源单元共计输出4路并行光信号，每周期中该4路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，每个光脉冲在光开关导通时间间隔的中点左右通过4×1光开关，该4路并行的光信号通过4×1光开关转换为1路串行的光信号输出。
所述控制器控制串/并转换单元、单光子源单元组和4×1光开关的功能执行；
所述控制器为串/并转换单元、单光子源单元组和4×1光开关提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器保证串/并转换单元周期性地轮询工作与4×1光开关周期性地轮询工作相互关联，实现一一对应关系，串/并转换单元输出端的第x路电信号关联对应4×1光开关输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元输出端的第x路电信号、4×1光开关输入端的第x路光信号，其中1≤x≤4；
其中，时钟同步信号包括工作频率同步信号、工作相位同步信号和工作时间同步信号，告警信息为故障告警信息。
例如，具体在某实施项目中，为了解决提高单光子输出速率为四倍的问题，取n＝4，提高为四倍的单光子输出速率的单光子源系统，串/并转换单元为旋转式的微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)的1×4电开关。单光子源单元组为相同型号的4个相同性能的参量下转换单光子源单元，每个参量下转换单光子源单元输出的单光子之间的最小间隔时间δτ为2ns，单光子脉冲的最大输出频率为500mhz。4×1光开关为移动反射镜机械式光开关。控制器内置时钟为恒温晶振，实际恒温晶振精度选取为不劣于±5ppb，1ppb＝10-9，控制器外部接口可以包括：irig-bdc码时钟信号输出接口、10mhz低相噪直接输出接口、1路1pps同步输入接口、rs232管理接口、usb接口(不低于usb2.0，用于系统调试、数据存储及打印)。
本实施例的技术方案能提高单光子源系统的生成单光子的速率，整个系统的单光子输出速率是单个单光子源器件的4倍，单光子脉冲的最大输出频率是单个单光子源器件的4倍，同时保证不降低每个单光子源的效率。每个参量下转换单光子源单元输出的单光子之间的最小间隔时间δτ为2ns，单光子脉冲的最大输出频率为500mhz；则保证不降低每个单光子源效率的情况下，本发明所述方法所形成的单光子源系统输出的单光子之间的最小间隔时间为
本实施例，作为高速率的单光子信号源，能够用于提升量子逻辑门的速度和精度，在量子计算(quantumcomputation)以及量子计算机(quantumcomputer)领域，具有广泛的应用前景。同时，在参量下转换单光子源器件方面，能够推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(photonicintegratedcircuit，pic)的工程应用。
实施例2
图8示出了本发明实施例2单光子输出速率提高为十六倍的单光子源单光子输出系统的结构示意图，如图8所示，该系统可以包括：
串/并转换单元、单光子源单元组、16×1光开关和控制器；
所述串/并转换单元、单光子源单元组、16×1光开关依次连接；
所述控制器分别与串/并转换单元、单光子源单元组和16×1光开关双向连接；
串/并转换单元与单光子源单元组通过16根相同性能相同长度的同类型电缆连接，单光子源单元组与16×1光开关通过16根相同性能相同长度的同类型光纤连接。
其中，所述串/并转换单元，用于将输入端1路高速串行电信号转换为低码速率的16路并行的电信号；
所述串/并转换单元可以包括1×16电开关或先进先出的串/并转换单元；
所述1×16电开关是旋转式的微机电系统1×16电开关。
所述单光子源单元组，用于通过16个相同性能的单光子源单元将16路并行的电信号转换为16路并行的光信号；
所述单光子源单元组由16个相同性能的单光子源单元并行排列组成；
所述单光子源单元是独立的单光子源或单光子源阵列器件；
所述单光子源包括参量下转换单光子源、量子点单光子源、纳米天线单光子源；
所述单光子源阵列包括参量下转换单光子源阵列器件、量子点单光子源阵列器件、纳米天线单光子源阵列器件；
单光子源阵列器件由相同的单光子源单元并行排列组成并封装在一起。
所述16×1光开关，用于将16路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
所述16×1光开关包括机械式光开关、波导光开关和微机电系统光开关。
所述控制器，用于控制所述串/并转换单元、单光子源单元组和16×1光开关的工作频率同步、工作时间同步和工作状态同步；所述控制器为串/并转换单元、单光子源单元组和16×1光开关提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、铷原子钟、铯原子钟；
所述外部接口包括irig-bdc码时钟信号接口、触发脉冲输入/输出接口、rs232管理接口、usb接口；
所述控制器提取进入到串/并转换单元输入端的输入电信号中的频率和相位同步信息。
一种单光子源单光子输出系统的控制方法，所述方法可以包括：
输入1路高速串行电信号，串/并转换单元将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的16路并行的电信号；
单光子源单元组通过16个相同性能的单光子源单元并行工作分别将16路并行的电信号转换为16路并行的光信号；
利用16×1光开关将16路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
其中，单光子源单元x的输入端经过电缆连接串/并转换单元输出端的第x路电信号，单光子源单元x的输出端经过光纤连接16×1光开关输入端的第x路光信号，1≤x≤16。
所述串/并转换单元将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的n路并行的电信号，包括：
所述串/并转换单元由控制器控制完成输入电信号的串/并转换，将1路串行的电信号，转换为16路并行的电信号；
所述串/并转换单元由控制器控制，周期性地以1到16等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的电信号中的16个串行电脉冲；
所述串/并转换单元由控制器控制，其导通时间为通过1个电脉冲的时间间隔，每个电脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过串/并转换单元；
所述串/并转换单元输出端的第x路电信号关联对应16×1光开关输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元输出端的第x路电信号、16×1光开关输入端的第x路光信号，其中1≤x≤16。
所述单光子源单元组通过16个相同性能的单光子源单元并行工作分别将16路并行的电信号转换为16路并行的光信号，包括：
所述单光子源单元组由控制器控制，保证单光子源单元组中的16个单光子源单元之间的工作频率同步、工作时间同步和工作状态保持同步。
所述利用16×1光开关将16路并行的光信号转换为1路串行的光信号，包括：
所述16×1光开关由控制器控制，周期性地以1到16等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的光信号中的16个串行光脉冲；
所述16×1光开关由控制器控制，保持其工作时间、工作频率和工作状态与所述串/并转换单元的工作时间、工作频率和工作状态同步，将16路并行的输入光信号，转换为1路串行的光信号；
所述单光子源单元组中的第1个至第16个单光子源单元共计输出16路并行光信号，每周期中该16路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，每个光脉冲在光开关导通时间间隔的中点左右通过16×1光开关，该16路并行的光信号通过16×1光开关转换为1路串行的光信号输出。
所述控制器控制串/并转换单元、单光子源单元组和16×1光开关的功能执行；
所述控制器为串/并转换单元、单光子源单元组和16×1光开关提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器保证串/并转换单元周期性地轮询工作与16×1光开关周期性地轮询工作相互关联，实现一一对应关系，串/并转换单元输出端的第x路电信号关联对应16×1光开关输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元输出端的第x路电信号、16×1光开关输入端的第x路光信号，其中1≤x≤16；
其中，时钟同步信号包括工作频率同步信号、工作相位同步信号和工作时间同步信号，告警信息为故障告警信息。
例如，具体在某实施项目中，为了解决提高单光子输出速率为十六倍的问题，取n＝16，提高为十六倍的单光子输出速率的单光子源系统；串/并转换单元可以包括依次连接的串/并转换器和先进先出的缓存，所述串/并转换器完成1路串行到n路并行的电信号的转换，所述先进先出的缓存，其输出端n＝16路并行电信号每路的缓存深度为2×n×δτ＝2×16×4ns＝128ns。例如，若每个单光子源单元输出码速率为250mbit/s，则每路的缓存深度为250mbit/s×128ns＝32bits。单光子源单元组为相同型号的16个相同性能的纳米天线单光子源单元，每个纳米天线单光子源单元输出的单光子之间的最小间隔时间δτ为4ns，单光子脉冲的最大输出频率为250mhz。16×1光开关为波导型电光效应光开关。控制器内置时钟为铷原子钟，实际铷原子钟精度选取为不劣于±0.01ppb，控制器外部接口可以包括：irig-bdc码时钟信号输出接口、10mhz低相噪直接输出接口、1路1pps同步输入接口、rs232管理接口、usb接口(不低于usb3.0，用于系统调试、数据存储及打印)。
本实施例的技术方案能提高单光子源系统的生成单光子的速率，整个系统的单光子输出速率是单个单光子源器件的十六倍，单光子脉冲的最大输出频率是单个单光子源器件的16倍，同时保证不降低每个单光子源的效率。每个纳米天线单光子源单元输出的单光子之间的最小间隔时间δτ为4ns，单光子脉冲的最大输出频率为250mhz；则保证不降低每个单光子源效率的情况下，本发明所述方法所形成的单光子源系统输出的单光子之间的最小间隔时间为
本实施例，能够用于单光子信号源，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射性探测、高能物理、天文测光、激光测距、激光雷达等领域，具有广泛的应用前景。同时，在纳米天线单光子源器件方面，能够推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(photonicintegratedcircuit，pic)的工程应用。
实施例3
图9示出了本发明实施例3单光子输出速率提高为六十四倍的单光子源单光子输出系统的结构示意图，如图9所示，该系统可以包括：
串/并转换单元、单光子源单元组、64×1光开关和控制器；
所述串/并转换单元、单光子源单元组、64×1光开关依次连接；
所述控制器分别与串/并转换单元、单光子源单元组和64×1光开关双向连接；
串/并转换单元与单光子源单元组通过64根相同性能相同长度的同类型电缆连接，单光子源单元组与64×1光开关通过64根相同性能相同长度的同类型光纤连接。
其中，所述串/并转换单元，用于将输入端1路高速串行电信号转换为低码速率的64路并行的电信号；
所述串/并转换单元可以包括1×64电开关或先进先出的串/并转换单元；
所述1×64电开关是旋转式的微机电系统1×64电开关。
所述单光子源单元组，用于通过64个相同性能的单光子源单元将64路并行的电信号转换为64路并行的光信号；
所述单光子源单元组由64个相同性能的单光子源单元并行排列组成；
所述单光子源单元是独立的单光子源或单光子源阵列器件；
所述单光子源包括参量下转换单光子源、量子点单光子源、纳米天线单光子源；
所述单光子源阵列包括参量下转换单光子源阵列器件、量子点单光子源阵列器件、纳米天线单光子源阵列器件；
单光子源阵列器件由相同的单光子源单元并行排列组成并封装在一起。
所述64×1光开关，用于将64路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
所述64×1光开关包括机械式光开关、波导光开关和微机电系统光开关。
所述控制器，用于控制所述串/并转换单元、单光子源单元组和64×1光开关的工作频率同步、工作时间同步和工作状态同步；所述控制器为串/并转换单元、单光子源单元组和64×1光开关提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、铷原子钟、铯原子钟；
所述外部接口包括irig-bdc码时钟信号接口、触发脉冲输入/输出接口、rs232管理接口、usb接口；
所述控制器提取进入到串/并转换单元输入端的输入电信号中的频率和相位同步信息。
一种单光子源单光子输出系统的控制方法，所述方法可以包括：
输入1路高速串行电信号，串/并转换单元将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的64路并行的电信号；
单光子源单元组通过64个相同性能的单光子源单元并行工作分别将64路并行的电信号转换为64路并行的光信号；
利用64×1光开关将64路并行的光信号转换为1路串行的光信号，并在输出端输出；
其中，单光子源单元x的输入端经过电缆连接串/并转换单元输出端的第x路电信号，单光子源单元x的输出端经过光纤连接64×1光开关输入端的第x路光信号，1≤x≤64。
所述串/并转换单元将输入的1路高速串行电信号转换为低码速率的64路并行的电信号，包括：
所述串/并转换单元由控制器控制完成输入电信号的串/并转换，将1路串行的电信号，转换为64路并行的电信号；
所述串/并转换单元由控制器控制，周期性地以1到64等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的电信号中的64个串行电脉冲；
所述串/并转换单元由控制器控制，其导通时间为通过1个电脉冲的时间间隔，每个电脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过串/并转换单元；
所述串/并转换单元输出端的第x路电信号关联对应64×1光开关输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元输出端的第x路电信号、64×1光开关输入端的第x路光信号，其中1≤x≤64。
所述单光子源单元组通过64个相同性能的单光子源单元并行工作分别将64路并行的电信号转换为64路并行的光信号，包括：
所述单光子源单元组由控制器控制，保证单光子源单元组中的64个单光子源单元之间的工作频率同步、工作时间同步和工作状态保持同步。
所述利用64×1光开关将64路并行的光信号转换为1路串行的光信号，包括：
所述64×1光开关由控制器控制，周期性地以1到64等间隔轮询方式工作，每周期对应串行的光信号中的64个串行光脉冲；
所述64×1光开关由控制器控制，保持其工作时间、工作频率和工作状态与所述串/并转换单元的工作时间、工作频率和工作状态同步，将64路并行的输入光信号，转换为1路串行的光信号；
所述单光子源单元组中的第1个至第64个单光子源单元共计输出64路并行光信号，每周期中该64路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，每个光脉冲在光开关导通时间间隔的中点左右通过64×1光开关，该64路并行的光信号通过64×1光开关转换为1路串行的光信号输出。
所述控制器控制串/并转换单元、单光子源单元组和64×1光开关的功能执行；
所述控制器为串/并转换单元、单光子源单元组和64×1光开关提供时钟信号和控制信号，并监测其告警信息；
所述控制器保证串/并转换单元周期性地轮询工作与64×1光开关周期性地轮询工作相互关联，实现一一对应关系，串/并转换单元输出端的第x路电信号关联对应64×1光开关输入端的第x路光信号，而且在每个工作周期中，单光子源单元组中的单光子源单元x的输入端、输出端分别对应串/并转换单元输出端的第x路电信号、64×1光开关输入端的第x路光信号，其中1≤x≤64；
其中，时钟同步信号包括工作频率同步信号、工作相位同步信号和工作时间同步信号，告警信息为故障告警信息。
例如，具体在某实施项目中，为了解决提高单光子输出速率为六十四倍的问题，取n＝64，提高为六十四倍的单光子输出速率的单光子源系统；
串/并转换单元可以包括依次连接的串/并转换器和先进先出的缓存，所述串/并转换器完成1路串行到n路并行的电信号的转换，所述先进先出的缓存，其输出端n＝64路并行电信号每路的缓存深度为2×n×δτ＝2×64×10ns＝1280ns。例如，若每个单光子源单元输出码速率为100mbit/s，则每路的缓存深度为100mbit/s×1280ns＝128bits。单光子源单元组为相同型号的4组相同性能的16通道的量子点单光子源，每个单个通道的量子点单光子源输出的单光子之间的最小间隔时间δτ为10ns，单光子脉冲的最大输出频率为100mhz。64×1光开关为静电驱动微反射镜转动的微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)光开关。控制器内置时钟为铯原子钟，实际铯原子钟精度选取为不劣于±0.001ppb，控制器外部接口可以包括：irig-bdc码时钟信号输出接口、10mhz低相噪直接输出接口、1路1pps同步输入接口、rs232管理接口、usb接口(不低于usb3.0，用于系统调试、数据存储及打印)。
本实施例的技术方案能提高单光子源系统的生成单光子的速率，整个系统的单光子输出速率是单个单光子源器件的六十四倍，单光子脉冲的最大输出频率是单个单光子源器件的64倍，同时保证不降低每个单光子源的效率。每个单个通道的量子点单光子源输出的单光子之间的最小间隔时间δτ为10ns，单光子脉冲的最大输出频率为100mhz；则保证不降低每个单光子源效率的情况下，本发明所述方法所形成的单光子源系统输出的单光子之间的最小间隔时间为
本实施例，能够用于构建高速、长距离的量子通信接收系统，尤其是构建高速、长距离的量子密钥分发(qkd)系统。同时，在量子点单光子源方面，能够推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(photonicintegratedcircuit，pic)的工程应用。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。