量子通信的源头——单光子源技术

2016-11-09 03:55

　　日前，我国自主研发的"墨子号"卫星在酒泉卫星发射中心发射，首次实现卫星与地面之间量子通信联接。自此，量子通信这一前沿科技开始走入大众视线。

　　量子通信中有三项核心技术，分别是单光子源技术、量子编码和传输技术、单光子检测技术。大量研究已经证明使用单光子源的量子通信是绝对安全的，并且具有很高的效率。由此可见，理想的单光子源是量子通信的基础，其特性的研究具有很高的价值。

　　量子通信的信道有光纤信道和自由空间信道两种，无论采用哪种信道进行实验，单光子源的质量都是影响整个通信过程安全性的重要因素。

　　基于安全性方面考虑，为了保证在通信过程中不会被光子数分束攻击，理想的单光子源应该严格满足每个脉冲中仅含有一个光子。然而，现阶段大多数实验所用的光源都是经过强烈弱光脉冲衰减得到，其光子数服从泊松分布。这种光源严格意义上讲是无法实现单光子脉冲的，实际做法是尽量降低每个脉冲里含有两个以上光子的几率，降低到不会对安全性产生影响。在实际应用中通常把含有两个以上光子的脉冲控制在5%以下，因此就必须把激光衰减到平均光子数为0.1，也就是说每个脉冲中平均含有0.1个光子。通信系统中是存在损耗的，即使脉冲中含有两个以上的光子也很少带来安全隐患，此外由于脉冲大多是不含光子的空脉冲，因此严重降低了密钥分配系统的传输效率，同时也增加了系统的误码率。所以高性能单光子源的研究己经成为影响量子通信发展的重要课题之一。目前单光子源方案有以下几种:

　　(1)强衰减激光脉冲

　　使用平均光子数很小的相干态来充当单光子数态，在实际应用中使用半导激光器和准直衰减器来实现，可操作性强，在实验中很容易实现。

　　强衰减激光脉冲的光子数分布为：

　　那么，可以推算出脉冲中含有一个以上光子的概率为

　　上式在μ<

　　（2)参量下转换单光子源

　　另外一个研究方向是产生成对的单光子源，典型的例子是自发参量下转换(PDC)。PDC过程是根据晶体X*X非线性效应将泵浦光转换为成对的光子。因此探测到一个光子可以暗示第二个光子的存在。但是这种双光子对的产生效率很低，在给定的某一模式中，大约需要1010个泵浦光子才能产生一个光子对。

　　PDC的物理过程保证输出的成对光子具有能量和动量上的守恒，在适当条件下，一旦空闲光子被探测到就可以准确定位它的同胞光子(信号光子)，这是PDC光源相比其他光源比较优越的地方。

　　因为泵浦光子转换为成对光子是随机过程，对于微弱的激光光源，这是一个严重的问题，成对光子的产生也是随机的，因此不能保证每次有且仅有一个光子对产生。多路技术和存储方案为解决这一问题带来了曙光，这两种方案具有相同的原理，由于产生成对光子的概率很低，一旦光子被探测到，就把它的同胞光子存储起来，在随后的时间内以可控的方式发射光子。总的发射率减少了，但是在规定的时间内产生有且仅有一个光子的速率提高了。

　　(3)量子点单光子源

　　使用量子点可以稳定地发出单个光子流，每个光子可由光谱过滤器分离出来。与其它单光子源相比，量子点单光子源具有高的振子强度，窄的谱线宽度，且不会发生光退色。目前的半导体基本上可以覆盖从可见光到红外波段。

　　量子点单光子源的研究一直很活跃。2001年Stanford大学的科研人员在GaAs衬底上长出一层发光波长为877nm的InGaAs量子点，通过激光器发射把激光发射到量子点的台面上。结果表明，在激光脉冲的作用下产生的激子进入一个量子点后，量子点吸收一个光子后再吸收第二个光子的可能性大大降低，这使产生反聚束光子流成为可能。Toshiba-Cambridge大学的欧洲联合研究小组在2002年采用量子点结构的LED实现了电注入单光子发射。2005年他们成功利用量子点制造出波长在1.3μm通讯波段的单光子光源。2007年，我国中科院半导体研究所超晶格国家重点实验室相关研究人员成功实现了量子点的单光子发射:8K温度下脉冲激光激发InAs单量子点，可以观测到932nm的单光子发射，发射速率大于10kHz。但是，这一领域仍然有很多难题需要解决，比如尺寸、形状的均一性控制，光谱的单色控制，以及对低温的要求等。

　　(4)纳米天线单光子源

　　基于SPP共振效应的纳米天线结构可以有效收集光能量，并将其限制在亚波长尺度，其巨大的局域场增强效应为纳米光子学提供了广阔的应用前景。

　　目前，每个脉冲产生一个光子的器件己经研制成功，问题是怎样将产生的光子沿某一特定的方向高效率地发射出去。光子晶体、介质球、光学微腔结构、金属表面等都可以改变光场方向，而共振光学天线对光场的改变更为局限化。它可以将入射光场有效限制在亚波长区域，也可使纳米尺度的小颗粒辐射强度显著增强，同时改变辐射方向。实验证明，天线的等离子模式调到附近分子电子跃迁的频率附近时会产生共振，发光分子与天线产生足够强的耦合，这样就可以控制发光方向。Van Hulst小组将长为80nm的铝制单耦天线接近一个荧光分子，通过改变天线与光的耦合方式，分子发出的光可以被调整90°。R.Esteban小组于2009年介绍了一种金属等离子电线产生单光子激发的方案，该方案是在等离子腔中利用金属光学共振原理和避雷针尖端放电理论提出的，并且给出了数值模拟结果。随着表面等离子体的发展，我们相信纳米天线单光子源一定会从理论走向应用。