浅析单光子干涉及其应用

毛威媚

摘 要：本文对单光子干涉现象做了简述，并讨论了其发展史上的著名实验。针对Mach-Zehnder干涉仪中单光子干涉的which-way问题，得出光子的路径选择信息和光子的干涉结果无法被同时获知的特点，并简述了此原理在量子保密通信中的应用。

关键词：单光子干涉；which-way；量子保密通信

引言

在波动光学中，我们得知两列波之间可以干涉形成干涉条纹，这体现了光的波动属性。然而当考虑到光的粒子属性时，其也可以干涉形成一定的干涉条纹。原因是微观粒子的波动性是一种概率波，当大量光子通过双缝时，会按照一定的统计规律出现于观测屏，即在光子出现概率大的地方较亮，光子出现概率小的地方较暗，从而形成干涉条纹。但如果设法让光子一个一个地通过双缝，在较长时间后仍可形成干涉条纹，这就是单光子干涉现象。

狄拉克曾说：“每个光子只是跟自己干涉。干涉绝不会发生在不同的光子之间。”那么是否在干涉中一个光子是分成两半分别通过两个狭缝，然后会合从而产生干涉条纹的呢？这个问题长期以来一直存在着争议。

最早尝试用实验解决争议的是英国科学家Taylor，他在1909年设计了实验尝试观测单光子的干涉。他利用一个气体放电光源照明一枚小的针尖，在远处用一照相胶片记录下所产生的衍射图像。此实验中，光源的强度被大大衰减，平均每秒只有106个光子。如果这些光子是等间隔发出的，那么前后两个光子之间的平均距离约为300米，即可认为实现了单光子。经过六个月的曝光，实验结果得到了衍射图案。

Taylor的实验似乎是表明了单光子确实是与其自身干涉的，且随后陆续的一些科学家也做了类似的实验，例如1969年Reynolds采用杨氏双缝干涉和F-P干涉仪做的实验，其中绝大多数都肯定了Taylor的结论。

然而随着对光的量子本性认识的深化，人们了解到光子并不是均匀地分布在光束中，实际中的光子其实是忽疏忽密地分布在光子流中的，也就是所谓的光子聚簇。因此降低光的强度并不意味着可以达到实现单光子的目标，这也就表明Taylor及相关科学家的实验结论是不可靠的。

1986年法國Aspect教授等提出一个严格测试光路中是否只存在一个光子的装置，如下图所示。此装置中，极弱的光源S发出的光束在分光板BS处反射或透射，可以分别被相应的计数器Nr和Nt记录。而Nc为符合计数器，即当另两个计数器同时获得计数时开始运转。为与光源同步的门电路脉冲开关，以增加计数的准确度。

因此只有当Nr或Nt有计数而Nc无计数时，才意味着在对应光路中只存在一个光子。

此实验也表明仅仅减弱光源强度无法实现单光子，而要如何得到单光子光源，很多科学家投身其中进行了研究。近年来，单光子光源的研制得到了很大突破，一些切实有效的单光子系统被提出并实施，因此，单光子干涉的实验才得以真正实现。

如下图所示为经典的Mach-Zehnder干涉仪，其中S为单光子光源，BS为分束器，M为反射镜，D为探测器。

当干涉仪的两条路径相等时，实验结果为D1能探测到光子而D2则无。然而对于光子到达探测器的路径却无法知晓。反之，若探得光子走的路径，则上述结果将遭到破坏。例如探测到光子所走路线为T，则最终到达D1和D2的概率将分别都为1/2，此结果与实验事实不符。

上述问题就是单光子干涉中的which-way问题。如果令单光子一个一个通过双缝，那么在一定时间之后在观测屏上将呈现出杨氏双缝干涉条纹图像。而如果设法在双缝后窥探光子的路径，则干涉条纹消失。也即，我们无法同时获知光子的路径选择信息和得到光子的干涉结果。

单光子干涉的此种特性使得其在量子保密通信中占有重要地位。在量子保密通信中，密钥的信息被加载在单光子上。任何窃听者若要获取相关信息势必要进行测量，而测量就会在一定程度上改变单光子原来的状态，从而导致量子误码率的异常增加，致使窃听行为被发现。通信时通信双方密切监察量子误码率的情况，若发现异常增加则可立即摈弃，重新进行通信。这种保密通信被证明是一种绝对安全和保密的方法。

但就目前而言，此种通信除了在数据安全传输方面的优势外，在其它技术领域并没有特别的优势，例如在传输速率、抗干扰性能等方面就很难超越经典的通信系统。其技术条件等还有待提高，但其在实际应用方面的发展将是一个明显的趋势。

参考文献

[1]林强.现代光学基础与前沿.科学出版社，2010

[2]陈晖.量子保密通信引论.北京理工大学出版社，2010

[3]吴光. Sagnac干涉仪中差分相位调制的单光子干涉.科学通报，2003

[4]http：//wenku.baidu.com/link？url= 4LSaUL87DbV7eQkk7TOubbT-60nqa0ZaFmRo mh_GIY2EUgB3tiMLpljaVcfurkDgY1MezBYY3dorkJtGPk6e_VKqHL9Ht9r_3HkoHVGDake