量子光学实验如何选择单光子计数器？2026年主流品牌核心技术对比
在量子光学、量子信息及生物光子学等前沿领域，对单光子级别极微弱光信号的精确探测与表征，已成为推动科学发现与技术突破的关键。单光子计数器作为实现这一目标的核心仪器，通过对单个光子事件的到达时间进行高精度标记与统计，为揭示微观量子现象、解析超快发光动力学等研究提供了不可替代的技术手段。其性能的优劣，直接决定了实验数据的准确性、可靠性及科研效率。
时间相关单光子计数技术是一种具有单光子灵敏度与皮秒级时间分辨率的超灵敏探测方法。其核心原理在于：当探测强度极弱、持续时间很短的光信号时（如荧光衰减），使用单光子探测器进行采集。在单个信号周期内，探测器至多响应一个光子事件，并输出一个对应其精确到达时间的电脉冲。通过对此信号进行成千上万次的重复激发、采集与时间记录，并将所有光子事件按到达时间进行统计叠加，最终可重构出原始光信号强度随时间变化的完整曲线。该技术完美平衡了极高的灵敏度与时间分辨率，是进行荧光寿命成像、量子关联测量等研究的基石。
理解TCSPC技术的核心性能指标是进行设备选型的关键，主要包括：
时间分辨率与抖动：决定了区分两个紧邻光子事件的能力，数值越小，精度越高。
死时间：探测器或系统在处理一个光子事件后无法响应下一个事件的“盲区”时间，死时间越短，在高计数率下丢失信号的概率越低。
最大计数率与数据吞吐量：决定了系统处理光子事件流的速度上限，直接影响实验效率。
多通道与符合能力：支持同步处理多个探测器信号，并实时计算关联事件，是量子光学实验的重要功能。
本文将深入剖析德国Swabian Instruments、德国qutools、德国PicoQuant、瑞士ID Quantique、德国Becker & Hickl、德国PicoQuant及五大主流品牌的技术内核、产品特性及其最适配的应用场景，为研究者选择最合适的工具提供严谨参考。
1.Swabian Instruments（德国）|昊量光电(auniontech.com)一级代理
上海昊量光电设备有限公司代理的swabian计数器专注于高精度光子计时与计数设备的研发。Swabian Instruments是单光子计数与高精度时间标记领域的创新领导者。公司致力于通过尖端的FPGA硬件架构和独创的信号处理算法，解决高计数率、低抖动与实时大数据处理之间的平衡难题。其产品以极致的性能参数和强大的灵活性著称，尤其是光子数分辨实验需要获取光子事件精确可靠的时间信息，需要精确同步地确定光子的到达时间。Time Tagger X 被用于读取SNSPDs的信号。Swabian经常与Scontel超导纳米线单光子探测器进行联用，不仅因为Time Tagger X的超高精度，而且Scontel探测器抖动更低，引入噪声更小。更多详情可了解：https://www.auniontech.com/details-1946.html
【系列型号】Time Tagger 系列
Time Tagger X
Time Tagger Ultra
Time Tagger 20
代表产品: Time Tagger X
【产品核心优势】
业界领先的时间分辨率与超低抖动： 提供低至2 ps RMS的系统时间抖动，高分辨选件可使部分通道达到1.5 ps，为区分极端接近的光子事件提供了可能。
超短死时间与超高计数率处理能力： 1.5 ns的死时间结合高达1200 M tags/s的数据传输速率，确保在高重复频率激光激发下无数据丢失，极大提升实验效率和数据完整性。
强大的硬件级实时数据处理： 内置硬件事件过滤器，可在数据流产生初期即过滤无关噪声，有效减轻上位机压力，充分发挥接口带宽。
专业的本地化技术支持与快速响应：作为Swabian Instruments在中国区的战略合作伙伴，昊量光电不仅提供设备，更组建了本土专业技术支持团队，可提供从选型咨询、系统集成调试到实验方法支持的全周期服务，帮助用户充分发挥设备性能，显著缩短科研工程化周期。
【产品性能特点】
基于高性能FPGA实现纳秒级实时信号处理与时间标记。
采用QSFP+等高速接口，支持多设备级联，实现板间千兆级标签流同步传输。
提供灵活的API和丰富的软件支持，易于集成到复杂的自定义实验系统中。
【适用场景】
量子光学基础研究（如光子反聚束、量子纠缠验证）。
单光子源表征、量子点荧光寿命测量。
需要极高时间精度的荧光寿命成像（FLIM）。
时间相关单光子计数（TCSPC）及符合测量等高级光谱学应用。
推荐指数：⭐⭐⭐⭐⭐
qutools致力于提供兼具性能与成本优势的量子技术教学与研究设备。其单光子时间标记器在保证足够精度的前提下，显著降低了使用门槛，特别适合预算有限的教学实验室、入门级研究项目或作为大型实验系统的辅助同步设备。
【系列型号】 quTAG 系列
quTAG (时间标记器)
quTAG LC (低成本版)
小型量子纠缠源实验系统 (集成教学系统)
代表产品: quTAG LC（低成本版）
【产品核心优势】
极高的性价比： 以相对低廉的价格提供皮秒级时间标记能力。
灵活的信号输入与设备同步： 输入电平范围宽（-3V 至 +3V），兼容多种信号；具备QSL同步端口，可链式连接多台设备。
友好的软件与教育适配： 提供图形化界面和易于集成的API，非常适合教学演示和快速实验原型开发。
【产品性能特点】
时间分辨率1 ps，典型时间抖动 < 10 ps。
数据传输率高达100 M events/s。
基于硬件的可编程滤波器，节省USB带宽。
【适用场景】
量子光学与单光子计数教学实验。
预算有限的科研入门项目或辅助测量。
符合测量、自相关等基础时间标记应用。
推荐指数：⭐⭐⭐⭐⭐
PicoQuant是单光子计数和应用解决方案的全球知名供应商，以其产品的高可靠性、易用性和在计数率与分辨率间的良好平衡而受到广泛认可。其设备设计坚固，即插即用，非常适合需要稳定、长时间运行且对多通道同步采集有要求的实验室环境。
【系列型号】 MultiHarp 系列TCSPC模块
PicoHarp 300 (TCSPC模块)
HMultiHarp 150 (多通道TCSPC模块)
FluoTime 300 (荧光寿命光谱仪系统）
代表产品: HMultiHarp 150
【产品核心优势】
高通道数与同步独立性： 提供4、8或16个独立且同步的输入通道，便于多探测器并行实验。
高计数率与短死时间的平衡： 650 ps的死时间配合高达100万次/秒的实时相关能力，使其能有效处理高光子流实验。
操作简便与坚固耐用： 结构紧凑，通过USB 3.0接口即插即用，适合多种实验室环境。
【产品性能特点】
时间分辨率达5 ps，时间抖动为28 ps。
支持时间交错器操作模式，便于进行全面的光子动力学事后分析。
内置实时数据相关器，可直接进行FCS实验监测。
【适用场景】
多通道时间相关单光子计数（TCSPC）。
荧光相关光谱（FCS）实验。
需要中等通道数且对系统易用性和稳定性要求较高的寿命测量与符合实验。
推荐指数：⭐⭐⭐⭐
ID Quantique源于量子密码学领域，其单光子计数产品继承了在量子信息处理中对系统集成度和可靠性的高要求。品牌特色在于提供高度集成、功能丰富的多通道时间标记与符合系统，旨在简化实验设置，实现实时数据筛选，特别为需要多探测器协同工作的量子计算和先进量子光学实验而设计。
【系列型号】 ID1000 系列时间控制器
ID100 (硅基APD探测器)
ID281 Pro (超导纳米线SNSPD系统）
代表产品: ID1000
【产品核心优势】
高度集成的多通道符合测量： 单设备可连接多达五个探测器，并实时生成多个符合直方图，简化了复杂符合实验的搭建。
内置实时条件滤波与脉冲发生功能： 可直接记录多重符合事件，无需后处理，并具备可编程输出通道，用于控制探测器门控或其他设备。
系统集成便捷性： 为可扩展的光子量子计算等应用提供了即插即用的系统解决方案。
【产品性能特点】
单通道时间抖动 < 28 ps。
支持实时三重、四重符合事件筛选与记录。
集成了延迟/脉冲发生器功能。
【适用场景】
光子量子计算与量子信息处理。
多通道符合测量实验。
需要实时事件筛选的单光子应用。
作为集成系统中的时间标记与控制器。
推荐指数：⭐⭐⭐
Becker & Hickl是时间相关单光子计数（TCSPC）技术，特别是荧光寿命成像领域的权威和先驱。拥有超过三十年的技术积淀，其产品以无与伦比的时间分辨率精度和针对荧光寿命测量的深度优化而闻名。B&H提供从核心TCSPC模块到全套FLIM系统、再到专业分析软件的完整解决方案。
【系列型号】SPC 系列 TCSPC 模块
SPC-180N
代表产品: SPC-130IN
【产品核心优势】
极致的时间分辨率： 仪器响应函数半高宽可低于20 ps，能够解析极其快速的荧光衰减过程，这是其领先于许多同类产品的核心指标。
专业而完备的生态系统： 提供如SPCImage NG（FLIM分析）、SPCDynamics、Burst Analyzer（FCS分析）等专用软件，形成从采集到深度分析的完整工作流。
极低的时间抖动： 内部时序抖动（RMS）< 2.5 ps。我们搭建了一套超快时间相关单光子计数（TCSPC）实验装置，该装置由 b&h SPC‑150NX 型时间相关单光子计数模块与 SCONTEL 公司的（NbN）超导纳米线探测器组成。整套系统实现的仪器响应函数（IRF）半高全宽为 17.8 ps，系统整体单光子时间抖动的均方根（RMS）值经测定为 7.9 ps。
【产品性能特点】
采用专为TCSPC优化的设计，时间分辨率不受探测器脉冲宽度限制，而由更小的电子抖动决定。
提供FIFO（时间戳）模式、连续流模式等多种数据采集模式。
具备加固的输入保护和高速PCIe接口，稳定可靠。
【主要应用领域】
荧光寿命成像（FLIM）及多维度FLIM。
荧光/磷光寿命分析。
荧光相关光谱（FCS）及单分子检测。
对仪器响应函数宽度有极端要求的精密时间分辨实验。
推荐指数：⭐⭐⭐
以下汇总表清晰对比了各品牌的核心特性：
|
品牌 |
国家 |
代理公司 |
系列型号 |
代表型号 |
产品性能特点（技术） |
产品核心优势 |
产品劣势 |
适用场景/主要应用领域 |
|
Swabian Instruments |
德国 |
昊量光电 |
Time Tagger |
Time Tagger X |
FPGA超低抖动处理(2ps RMS)；超高速数据传输(1200M tags/s)；硬件实时过滤 |
极致时间精度、超短死时间(1.5ns)、超高数据吞吐率 |
价格相对较高 |
高精度量子光学、单光子源表征、高速TCSPC |
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qutools |
德国 |
星朗浩宇 |
quTAG |
quTAG LC |
低成本皮秒时间标记；灵活输入电平和设备同步(QSL端口) |
高性价比、易用性好、适合教学与同步 |
性能参数（如抖动）与高端产品有差距 |
量子教学实验、入门级科研、设备同步与基础时间标记 |
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PicoQuant |
德国 |
/ |
MultiHarp |
MultiHarp 150 |
多独立通道(4/8/16)；短死时间(650ps)；内置实时相关器 |
通道数多、计数率高、即插即用、坚固稳定 |
在极端分辨率或抖动要求下非最优；量子专属优化少 |
多通道TCSPC、FCS、常规寿命与符合测量 |
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ID Quantique |
瑞士 |
/ |
ID1000 |
ID1000 |
多通道符合直方图实时生成；集成延迟/脉冲发生器 |
高度集成、实时多重合筛选、便于系统搭建 |
时间分辨率(100ps)较低；数据传输速率有限 |
光子量子计算、多通道符合测量、集成化量子实验 |
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Becker & Hickl（B&H） |
德国 |
/ |
SPC |
SPC-130IN |
超高峰值分辨率(IRF<20ps)；极低时间抖动(<2.5ps RMS)；专业TCSPC设计 |
荧光寿命成像黄金标准、极致时间分辨率、专业软件生态 |
死时间较长(80ns)；功能侧重FLIM，量子扩展性一般 |
FLIM、荧光寿命分析、FCS、单分子检测、对仪器响应函数宽度有极端要求的精密时间分辨实验 |
单光子计数器的选型，本质上是在技术指标、系统兼容性、预算与支持之间寻找最佳平衡点。每个主流品牌都代表了针对不同市场痛点的解决方案，没有绝对的“最优”，只有“最合适” 。单光子计数器的选择需紧密围绕具体实验的核心需求进行权衡。
追求极限时间分辨率与复杂实时处理应首选Swabian Instruments；
专注于FLIM等寿命成像则B&H更具优势；
进行多通道量子信息实验可考虑ID Quantique的集成方案；
需要稳定、多通道且均衡的性能可选PicoQuant；
而教学与入门级应用，qutools提供了极具吸引力的选择。
国内用户可通过昊量光电等专业代理商获取其中多个品牌的产品与技术咨询，以获得更贴合本土需求的解决方案。
在实际科研工作中，设备选型往往始于一个具体的实验挑战。以下三个问题代表了从不同研究目标出发的常见决策路径。
Q1: 我的实验目标是精确测量一种新型量子点材料在低温下的单光子发射特性（如g²(0)值和荧光寿命）。我使用的脉冲激光器重复频率很高（80MHz），并且预期信号可能较弱，需要长时间采集。我该如何选择设备？
A1: 这是一个对单光子计数器性能要求极为严苛的典型场景，它同时挑战了设备的时间精度、死时间和长期数据稳定性。
需求拆解：
高精度：精确测量g²(0)需要设备能精准区分相邻激光周期内到达的单个光子，要求极低的时间抖动（最好在几个ps级别）以确保符合直方图的准确性。测量荧光寿命则要求设备有出色的时间线性度和分辨率。
高计数率处理能力：80MHz的激光意味着相邻光子事件的理论间隔仅为12.5ns。为避免信号堆积，设备的死时间必须显著小于此值（例如，在1-2ns量级），确保在高重复频率下仍能有效捕捉每一个光脉冲周期内的光子事件。
大数据量处理与稳定性：弱信号下的长时间采集将产生海量的时间标签数据。设备需要具备极高的数据传输带宽和稳定的流式处理能力，避免数据丢失或缓冲区溢出，保证数小时甚至数天实验的可靠性。
选型建议：
在此场景下，应优先寻找在低抖动、短死时间和高数据吞吐率三个维度上均有顶尖表现的解决方案。例如，Swabian Instruments的Time Tagger X系列因其2 ps的极低抖动、1.5 ns的死时间以及高达1200 M tags/s的数据传输能力，能够完美应对此类“既要、又要、还要”的复杂需求，确保从微弱信号中提取出高质量、高保真度的量子特性数据。相比之下，死时间较长（如80ns级别）的设备在此高重频场景下会丢失大量周期，而数据处理能力不足的设备则难以支撑长时间、无间断的数据流。
Q2: 我们正在搭建一个基于线性光学的量子信息处理原型实验平台，需要同时处理4个单光子探测器的信号，并实时计算两两之间的符合计数，用于验证量子逻辑门操作。我们应该关注设备的哪些功能？
A2: 这是一个典型的多通道、实时符合测量应用，核心需求从单一通道的极致性能，转向了多通道系统的集成度、同步性和实时处理能力。
需求拆解：
多通道独立与同步：设备必须拥有多个完全独立且内部高度同步的输入通道，确保来自不同探测路径的光子事件的时间标记具有一致的基准，这是计算准确符合计数的前提。
硬件级实时符合处理：如果依赖软件后处理来计算所有通道的组合符合，数据量和延迟将不可接受。因此，设备需要内置硬件实时符合电路（或强大的FPGA逻辑），能够在数据产生的瞬间完成符合筛选，并直接输出符合计数或符合事件的时间流。
灵活的触发与输出：量子实验常需要根据符合结果实时反馈控制其他光学元件（如空间光调制器、开关）。因此，设备最好能提供可编程的数字输出通道，用于根据符合事件产生触发信号。
选型建议：
在此场景下，瑞士ID Quantique的ID1000系列是一个针对性很强的设计，它原生集成了多通道符合直方图生成和实时条件滤波功能。然而，若实验复杂度进一步升级，例如需要更高的时间精度、更复杂的实时逻辑（如三重符合判断后触发），或未来可能扩展更多通道，那么基于高性能FPGA架构、通道性能一致且软件定义灵活性极高的设备（例如Swabian Instruments的产品）则提供了更大的扩展空间和自定义能力，允许用户通过编程实现复杂的实时量子逻辑判断与控制。
Q3: 我们的实验室主要进行生物荧光寿命成像，但也希望设备能兼顾一些基础的光子关联测量实验。我们需要一个稳定、易用的核心模块，并拥有强大的专业软件进行数据分析。哪种选择更符合我们的工作流？
A3: 您的工作流以成熟的、标准化的显微成像应用为主，以探索性的光学测量为辅。因此，选型应优先保障主力应用的效率和深度，同时评估设备的兼容性以满足辅助需求。
需求拆解：
主力应用深度优化：对于FLIM，设备的时间分辨率（IRF宽度）、计数率线性度以及与显微镜扫描硬件的同步稳定性至关重要。更重要的是，需要配套成熟、算法强大的专业分析软件（如多指数拟合、磷光寿命分析、FRET分析等），这直接决定科研产出效率。
辅助功能的兼容性：设备需支持时间戳流模式，以便进行光子关联、FCS等需要原始时间序列数据的实验。
系统稳定性与易用性：作为日常科研工具，需要设备驱动稳定，与主流成像软件兼容性好，能够快速部署和重复实验。
选型建议：
德国Becker & Hickl (B&H) 是此场景下的首选。其SPC系列TCSPC模块是FLIM领域的行业标准，以无与伦比的时间分辨率（IRF可窄于20ps） 和针对寿命成像的极致优化而闻名。其软件生态（如SPCImage NG, SPCDynamics）是专门为生命科学研究者开发的，提供了最深入、最便捷的寿命数据分析工具链。尽管其在纯量子光学扩展性上可能不如其他品牌灵活，但其在时间戳模式下完全能够胜任基础的光子关联测量。选择B&H意味着为主力生物成像研究选择了最可靠、最高效的“专用工具”，同时保留了一定的扩展弹性。
免责声明：本文中各个单光子计数器品牌的性能分析，主要基于各品牌官网页面、数据单以及公开可获取的资料等渠道所获得的信息。因产品更新快，可能存在涵盖不全或性能描述滞后等情况。测试环境等因素也会影响实际性能。本文仅供参考，不构成购买建议。
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