光量子通信中的單光子源技術分析*

張艷霞 ，郭 磊

（1.軍事科學院評估論證研究中心，北京 100093；2.軍事科學院系統工程研究院，北京 100091）

0 引 言

當前，隨著量子計算、量子密碼術以及量子網絡等形式的量子信息處理技術高速發展，穩定、高效可靠的單光子源已經成為了其中一個非常關鍵的重要前提。在量子信息技術出現之后，就急需要一種新型的單光子源，基于單光子編碼的需要，理想的單光子源中光子的數目不僅能夠人為控制，更重要的是，每次觸發只有一個光子出射。但由于技術條件的限制，這種理想的單光子源是無法實現的，人們只能不斷的研究、探索、改進，盡可能制備的接近理想的單光子源。

一般來說，單光子源可分為兩類孤立量子系統和兩光子發射體。第一類是孤立的量子系統，每激發只發射一個光子。該方法使系統獲得有效的激勵，較高的輸出收集效率和優良的隔離。第二種是光源可以一次發射兩個光子。在這里，一個光子的探測意味著第二個光子的存在。這樣，第二個光子就可以被操縱和發射。近年來，隨著量子通信技術的飛速發展，人們提出了各種新的單光子源的設想和實驗[1]。

1 單光子源的單光子特性

衡量一個光源的“單光子性”指的是，該光源激發出單光子與多光子的相對概率。一個光源每次激發出一個光子的同時，零概率激發出多個光子，這樣的光源稱之為一個理想的單光子源。單光子源的特性用二階相關函數來定義，即：

其中，定義為光子數算子和∷為算子正常運算順序，即由湮沒算子a^向右作用于產生算子在許多量子光學試驗中，經常用一個非極化的光分路器把一個光子場分成兩個相等的部分，分別送到各自的光探測器。

不管是量子密碼通信還是量子隱形態傳輸，都要求所用的光源需要具備以下幾點要求：

一是光源中光子到達的時間必須相對穩定，這是因為探測器使用了門脈沖探測模式，因此，要求光源的脈沖具有較小的時間抖動，另外門脈沖的寬度必須大于光脈沖的寬度以保證完整探測，因此光脈沖的脈寬直接決定了門脈沖的可用最小門寬，由于噪聲是隨機分布的，更小的門寬就能夠獲得更高的信噪比，因此系統要求光脈寬盡量窄，并用相應的門寬探測，這樣這對于探測性能的提升是非常明顯的。

二是光源的線寬也應該盡量窄，因為光脈沖的單色性越好，色散效應就越弱。而且光源間的中心波長也應該一致，否則在長距離通信中可能帶來偏振變化不一致的情況。

三是在偏振編碼方案中用到了多個光源，這種情況下光源之間的光脈沖幅度應該基本一致，否則Eve有可能通過鑒別光脈沖的強度來區別不同的偏振態。

2 單光子源產生的技術

光子作為一種基本粒子，是不可分割的，因此攻擊者無法從光子攜帶的量子信號中分離出其他任何子系統。所以單個光子可以作為一個特別理想的量子信號載體，然而，由于目前技術水平的限制，還不可能制備出理想的單光子源。因此，目前在實驗中，特別是在量子密碼通信實驗的演示中，采用了另一種方法，即激光衰減光源。但經過衰減后，激光無法消除多光子的存在，無法避免光子數分離的攻擊，最大安全通信距離受到極大限制。因此，穩定、高效、可靠的單光子源制備技術已經成為量子通信技術和量子密鑰分配技術在實際和工業發展中的關鍵技術[2]。

目前，單光子制備技術主要有以下幾種：

2.1 激光衰減方法

這是目前科學研究中最常用的單光子產生方法，稱為準單光子源。具體實現方法如下:單模激光器的基礎上，將激光器發出的連續激光首先進行脈沖化處理，然后通過一步一步的增加對其的衰減，直到增加衰減使得光子包含在每一個脈沖的平均數量小于0.1，其工作原理如圖1所示。此時，衰減后的激光脈沖信號具有明顯的量子效應，其特性非常接近單光子量子信號。

圖1 激光衰減法

采用這種方法的單光子源非常簡單、適用，因此在目前的大多數實驗中得到了應用。該方法的優點是實驗上易于實現和控制，但是存在很多的缺點，這些缺點主要包括：衰減產生的能量損失比較大；最終產生出的單光子脈沖數目比較少；而且產生的單光子脈沖速率也很低；經過衰減以后的脈沖中還包括大量零光子脈沖；再加上背景噪聲的影響，在最終的量子信號檢測中容易錯誤或者變得困難。另一方面，這種經過衰減以后的激光脈沖中，部分脈沖中很有可能還包含多個光子，這樣，竊聽者（Eve）就可以采用分束技術，從而獲得有效信息，影響密碼系統的安全性[3]。

2.2 單原子法

利用單原子方法的實現機理，就是利用一個兩能級原子的一個固有的共振熒光特性，原理如下：在光源的特征輻射被自由原子吸收后，原子的外層電子躍遷到更高的能級，然后跳回到基態或更低的能級，并發出熒光，此熒光與原始激發光的波長相同。美國人Kimble等在1977年，第一次通過實驗觀察到了鈉原子蒸汽的共振熒光現象[4]。2004年，CIT的McKeever等人[5]又在通過實驗，把Cs原子限制在腔中實現了單光子發射。此方法，雖然實現單光子的發射，但這種光子并不能用在通信波段，而且在實驗上，也很難控制這種單個原子的度量和獲得，所以這種單光子的制備方法還不能進入實用化。

2.3 單分子法

如圖2所示，給出了單分子的能級結構，由能級理論可知，在脈沖光激發的作用下，基態能級中的電子將被泵浦到激發態。被激發的電子，由于極不穩定，迅速躍遷到基態的振動能級，在此過程中，會輻射出一個熒光光子，隨著能級之間的不斷變化，將繼續產生單光子[6]。這種激勵也有一定的限制，當分子激發態的壽命小于或接近激發脈沖的持續時間時，將產生再激發過程，從而產生兩個或更多個光子。因此，為了形成觸發的單分子光子源，重復激光脈沖周期必須遠長于分子激發態的壽命。

此種方法的優點是，即使在室溫時單光子的發射效率也很高，但目前的一些實現中存在著材料不太穩定和漂白現象等問題。

圖2 脈沖激光激發三能級分子產生單光子

2.4 量子點法

量子點是把激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結構。有時被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點原子”，是20世紀90年代提出來的一個新概念。由于量子點可以觀察到光子聚束的影響，許多實驗證明單量子點可以發射單個光子。從實際的角度來看，半導體量子點為單光子發射系統提供了理想的單光子源材料。與其它單光子光源相比，量子點單光子源可以很方便的集成在分布布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector，DBR）微腔中，或者嵌入到p-i-n結中以便制作集成電路器件[7]，而且在最大重復速率、工作溫度、單光子發射質量、光源尺寸等方面均有優越性。目前的實驗表明，量子點的單光子源不褪色，譜線寬度窄，振蕩器強度高。因此，量子點的單光子源被認為是最有潛力的單光子源之一，許多國際研究小組將其用于量子通信的研究。

2.5 自發參量下轉換法

1970年 Burnham D C，Weinberg D L在 光子計數實驗中首次發現了自發下參量轉換過程（Spontaneous Parametric Down-conversion，SPDC）現象，此后，對自發下參量轉換過程產生的雙光子的時間、空間、以及偏振的糾纏特性研究一直備受關注[8]。與產生單光子態的諸多方法相比，自發參量下轉換利用非線性晶體的非線性過程，把泵浦光子轉換為一對具有糾纏特性的光子對，所以只要能測到一個光子，就一定存在它的孿生光子[9]。由此可見，采用自發下參量轉換過程產生的單光子能夠在不被破壞情況下，同時確認單光子的存在。

光路工作原理如圖3所示，但因光脈沖中光子個數的泊松統計特性以及當前市場上的單光子計數器模塊也不能分辨出光脈沖中含有的是一個光子還是多個光子，這樣就造成了很大的實驗誤差。

圖3 參數下轉換光路工作原理

2.6 其他方法

由于單光子光源在量子通信及量子計算方面研究的重要性，單光子源在國內外一直都處在研究的熱點。除了上面介紹的單光子源制備方法，還有一些學者或者提出過一些其他方法，如：轉柵（turnstile）單光子器件法和金剛石色心單光子法等。轉柵單光子器件法是利用電子和空穴的隧道效應來實現單光子的發射，這是發表在1999年的Nature上一項成果。金剛石色心單光子法是利用金剛石中的氮空位在室溫下產生單光子發射，2002年，Rosa Brouri利用這種單光子源實現了量子密鑰分配。但由于這些方案的實驗條件比較苛刻，而且光子的產生效率或者探測效率很低，目前都只是在實驗階段進行[10-11]。

2.7 單光子源產生技術的比較

要發展能夠真正實用化的光量子通信技術，關鍵技術之一是實現確定性的高品質單光子源，通過以上對各種單光子源產生技術的分析可知，各種不同的單光子源，由于產生原理、技術實現和工藝水平各不相同，因而產生的單光子源在技術指標，應用特性方面也各不相同，表1給出了各種不同方法的區別[12-14]。

表1 單光子源的性能比較

3 結 語

如何獲得穩定，高效，可靠的單光子源已成為量子通信實際應用的瓶頸，因此迫切需要開發一種高性能的單光子發射器件。雖然現有技術不理想，且存在很多問題，但由于單光子源在量子密碼通信中的重要作用，對其的研究已在世界范圍內得到廣泛開展，并取得了很大的成果。相信隨著研究的進展和各種技術的發展。單光子光源技術將日益完善，從而推動量子通信的巨大發展。