単一光子信号を効率的に検出することができるデバイスは、物質系（１１２）、第１のビーム及び第２のビームのビーム源（１１４及び６１０）、及び測定システム（４２０）を備える。物質系（１１２）は、信号光子が第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位との間の遷移に結合するような第１のエネルギー準位及び第２のエネルギー準位を有する。第１のビームは、物質系（１１２）の第２のエネルギー準位と第３のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含み、第２のビームは、物質系（１１２）の第３のエネルギー準位と第４のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含む。測定システム（４２０）は、第１のビーム又は第２のビームの変化を測定し、信号内の光子の不在、存在又は数を検出する。
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高い時間分解能を有する光サンプリング装置は、ループ光路（１２）を有するＴＯＡＤ装置（１１）を具備し、ループ光路の入口に、持続時間T_pのサンプリングされるべき光信号S_iが入力され、ループ光路に沿って、供給源（１６）により発生される光制御信号S_cの入力点（１３）が配置される。サンプリングされるべき信号に対してＴＯＡＤ伝達ウインドウの時間的位置を指令に従って変化させるために、光制御信号は、遅延線（２３）により適切に遅延される。ループ内には、非線形装置（１４）がさらに存在する。サンプリング装置は、前記伝達ウインドウを段階的に移動し、それをサンプリングされるべき信号に対して機能させるように遅延線（２３）に指令するために、制御手段（１７）をさらに具備する。測定手段（１８）は、ＴＯＡＤ出力端で伝達される平均パワーをウインドウ位置ごとに測定し、処理手段（１９）は、ウインドウ位置ごとに求められた平均パワーに対して微分を実行し、それにより、入力信号S_iを表現するサンプルを獲得する。
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