光量子通信中的单光子源技术分析*

张艳霞 ，郭 磊

（1.军事科学院评估论证研究中心，北京 100093；2.军事科学院系统工程研究院，北京 100091）

0 引 言

当前，随着量子计算、量子密码术以及量子网络等形式的量子信息处理技术高速发展，稳定、高效可靠的单光子源已经成为了其中一个非常关键的重要前提。在量子信息技术出现之后，就急需要一种新型的单光子源，基于单光子编码的需要，理想的单光子源中光子的数目不仅能够人为控制，更重要的是，每次触发只有一个光子出射。但由于技术条件的限制，这种理想的单光子源是无法实现的，人们只能不断的研究、探索、改进，尽可能制备的接近理想的单光子源。

一般来说，单光子源可分为两类孤立量子系统和两光子发射体。第一类是孤立的量子系统，每激发只发射一个光子。该方法使系统获得有效的激励，较高的输出收集效率和优良的隔离。第二种是光源可以一次发射两个光子。在这里，一个光子的探测意味着第二个光子的存在。这样，第二个光子就可以被操纵和发射。近年来，随着量子通信技术的飞速发展，人们提出了各种新的单光子源的设想和实验[1]。

1 单光子源的单光子特性

衡量一个光源的“单光子性”指的是，该光源激发出单光子与多光子的相对概率。一个光源每次激发出一个光子的同时，零概率激发出多个光子，这样的光源称之为一个理想的单光子源。单光子源的特性用二阶相关函数来定义，即：

其中，定义为光子数算子和∷为算子正常运算顺序，即由湮没算子a^向右作用于产生算子在许多量子光学试验中，经常用一个非极化的光分路器把一个光子场分成两个相等的部分，分别送到各自的光探测器。

不管是量子密码通信还是量子隐形态传输，都要求所用的光源需要具备以下几点要求：

一是光源中光子到达的时间必须相对稳定，这是因为探测器使用了门脉冲探测模式，因此，要求光源的脉冲具有较小的时间抖动，另外门脉冲的宽度必须大于光脉冲的宽度以保证完整探测，因此光脉冲的脉宽直接决定了门脉冲的可用最小门宽，由于噪声是随机分布的，更小的门宽就能够获得更高的信噪比，因此系统要求光脉宽尽量窄，并用相应的门宽探测，这样这对于探测性能的提升是非常明显的。

二是光源的线宽也应该尽量窄，因为光脉冲的单色性越好，色散效应就越弱。而且光源间的中心波长也应该一致，否则在长距离通信中可能带来偏振变化不一致的情况。

三是在偏振编码方案中用到了多个光源，这种情况下光源之间的光脉冲幅度应该基本一致，否则Eve有可能通过鉴别光脉冲的强度来区别不同的偏振态。

2 单光子源产生的技术

光子作为一种基本粒子，是不可分割的，因此攻击者无法从光子携带的量子信号中分离出其他任何子系统。所以单个光子可以作为一个特别理想的量子信号载体，然而，由于目前技术水平的限制，还不可能制备出理想的单光子源。因此，目前在实验中，特别是在量子密码通信实验的演示中，采用了另一种方法，即激光衰减光源。但经过衰减后，激光无法消除多光子的存在，无法避免光子数分离的攻击，最大安全通信距离受到极大限制。因此，稳定、高效、可靠的单光子源制备技术已经成为量子通信技术和量子密钥分配技术在实际和工业发展中的关键技术[2]。

目前，单光子制备技术主要有以下几种：

2.1 激光衰减方法

这是目前科学研究中最常用的单光子产生方法，称为准单光子源。具体实现方法如下:单模激光器的基础上，将激光器发出的连续激光首先进行脉冲化处理，然后通过一步一步的增加对其的衰减，直到增加衰减使得光子包含在每一个脉冲的平均数量小于0.1，其工作原理如图1所示。此时，衰减后的激光脉冲信号具有明显的量子效应，其特性非常接近单光子量子信号。

图1 激光衰减法

采用这种方法的单光子源非常简单、适用，因此在目前的大多数实验中得到了应用。该方法的优点是实验上易于实现和控制，但是存在很多的缺点，这些缺点主要包括：衰减产生的能量损失比较大；最终产生出的单光子脉冲数目比较少；而且产生的单光子脉冲速率也很低；经过衰减以后的脉冲中还包括大量零光子脉冲；再加上背景噪声的影响，在最终的量子信号检测中容易错误或者变得困难。另一方面，这种经过衰减以后的激光脉冲中，部分脉冲中很有可能还包含多个光子，这样，窃听者（Eve）就可以采用分束技术，从而获得有效信息，影响密码系统的安全性[3]。

2.2 单原子法

利用单原子方法的实现机理，就是利用一个两能级原子的一个固有的共振荧光特性，原理如下：在光源的特征辐射被自由原子吸收后，原子的外层电子跃迁到更高的能级，然后跳回到基态或更低的能级，并发出荧光，此荧光与原始激发光的波长相同。美国人Kimble等在1977年，第一次通过实验观察到了钠原子蒸汽的共振荧光现象[4]。2004年，CIT的McKeever等人[5]又在通过实验，把Cs原子限制在腔中实现了单光子发射。此方法，虽然实现单光子的发射，但这种光子并不能用在通信波段，而且在实验上，也很难控制这种单个原子的度量和获得，所以这种单光子的制备方法还不能进入实用化。

2.3 单分子法

如图2所示，给出了单分子的能级结构，由能级理论可知，在脉冲光激发的作用下，基态能级中的电子将被泵浦到激发态。被激发的电子，由于极不稳定，迅速跃迁到基态的振动能级，在此过程中，会辐射出一个荧光光子，随着能级之间的不断变化，将继续产生单光子[6]。这种激励也有一定的限制，当分子激发态的寿命小于或接近激发脉冲的持续时间时，将产生再激发过程，从而产生两个或更多个光子。因此，为了形成触发的单分子光子源，重复激光脉冲周期必须远长于分子激发态的寿命。

此种方法的优点是，即使在室温时单光子的发射效率也很高，但目前的一些实现中存在着材料不太稳定和漂白现象等问题。

图2 脉冲激光激发三能级分子产生单光子

2.4 量子点法

量子点是把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。由于量子点可以观察到光子聚束的影响，许多实验证明单量子点可以发射单个光子。从实际的角度来看，半导体量子点为单光子发射系统提供了理想的单光子源材料。与其它单光子光源相比，量子点单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结中以便制作集成电路器件[7]，而且在最大重复速率、工作温度、单光子发射质量、光源尺寸等方面均有优越性。目前的实验表明，量子点的单光子源不褪色，谱线宽度窄，振荡器强度高。因此，量子点的单光子源被认为是最有潜力的单光子源之一，许多国际研究小组将其用于量子通信的研究。

2.5 自发参量下转换法

1970年 Burnham D C，Weinberg D L在 光子计数实验中首次发现了自发下参量转换过程（Spontaneous Parametric Down-conversion，SPDC）现象，此后，对自发下参量转换过程产生的双光子的时间、空间、以及偏振的纠缠特性研究一直备受关注[8]。与产生单光子态的诸多方法相比，自发参量下转换利用非线性晶体的非线性过程，把泵浦光子转换为一对具有纠缠特性的光子对，所以只要能测到一个光子，就一定存在它的孪生光子[9]。由此可见，采用自发下参量转换过程产生的单光子能够在不被破坏情况下，同时确认单光子的存在。

光路工作原理如图3所示，但因光脉冲中光子个数的泊松统计特性以及当前市场上的单光子计数器模块也不能分辨出光脉冲中含有的是一个光子还是多个光子，这样就造成了很大的实验误差。

图3 参数下转换光路工作原理

2.6 其他方法

由于单光子光源在量子通信及量子计算方面研究的重要性，单光子源在国内外一直都处在研究的热点。除了上面介绍的单光子源制备方法，还有一些学者或者提出过一些其他方法，如：转栅（turnstile）单光子器件法和金刚石色心单光子法等。转栅单光子器件法是利用电子和空穴的隧道效应来实现单光子的发射，这是发表在1999年的Nature上一项成果。金刚石色心单光子法是利用金刚石中的氮空位在室温下产生单光子发射，2002年，Rosa Brouri利用这种单光子源实现了量子密钥分配。但由于这些方案的实验条件比较苛刻，而且光子的产生效率或者探测效率很低，目前都只是在实验阶段进行[10-11]。

2.7 单光子源产生技术的比较

要发展能够真正实用化的光量子通信技术，关键技术之一是实现确定性的高品质单光子源，通过以上对各种单光子源产生技术的分析可知，各种不同的单光子源，由于产生原理、技术实现和工艺水平各不相同，因而产生的单光子源在技术指标，应用特性方面也各不相同，表1给出了各种不同方法的区别[12-14]。

表1 单光子源的性能比较

3 结 语

如何获得稳定，高效，可靠的单光子源已成为量子通信实际应用的瓶颈，因此迫切需要开发一种高性能的单光子发射器件。虽然现有技术不理想，且存在很多问题，但由于单光子源在量子密码通信中的重要作用，对其的研究已在世界范围内得到广泛开展，并取得了很大的成果。相信随着研究的进展和各种技术的发展。单光子光源技术将日益完善，从而推动量子通信的巨大发展。