在单光子水平上实现光子数可分辨(PNR)探测是量子光学领域的研究前沿和热点，尤其在量子态制备和量子过程(Quantum process)研究中是不可或缺的关键技术。在量子信息研究中，诸多量子中继和线性光学量子计算方案也都是以PNR探测为基础的。多通道的InGaAs/InP APD单光子探测器可以实现时间空间复用的近红外单光子探测，时间空间复用也是实现光子数可分辨单光子探测的重要方法之一。我们自主研制了200 MHz多通道近红外单光子探测器样机，并在此基础上结合一个光纤环状结构组成了时间空间复用型PNR探测器，实现了4光子PNR探测，通过增加光纤环状结构的数量可以实现更多光子数的PNR探测。

目前，我们主要使用探测效率、响应波段和等效噪声等参数来简单描述PNR光子探测器的特性，但是这些参数并不能够较为完整的诠释一个PNR光子探测器的量子特征。量子探测层析技术(QDT)由J. S. Lundeen等科学家于2009年在Nature Phys.上首次提出，通过完整描述探测器的正值算符测度(POVM)矩阵来描述探测器的量子特征。QDT的出现为PNR光子探测器能否可以真正应用于量子光学的实际系统中提供了可靠的评估依据。

我们利用QDT在实验上重新构建了探测器的POVM矩阵。时间空间复用型PNR探测的实验结果、理论模型模拟结果和利用重新构建的POVM矩阵推算的结果具有很好的吻合度，充分表明QDT准确、可靠的还原了时间空间复用的PNR探测过程。由重新构建的POVM计算得到的Wigner函数在原点的负值表明此基于InGaAs/InP APD多通道探测器的时间空间复用的PNR探测技术方案，具备光子量子态的探测能力，实现了真正的量子探测。相关研究成果发表在Scientific Reports 7, 44600 (2017)。

图1  基于200 MHz多通道单光子探测器的时间空间复用型PNR探测系统

图2  时间空间复用型PNR探测器各种输出结果的概率分布

图3  时间空间复用型4光子PNR探测器的POVM矩阵对应的Wigner函数