光量子通信中的单光子源技术分析

付帅奇?陈紫畅?徐颖?肖训维

摘要：近年来，光量子通信技术以爆炸式的增长速度发展，并推动了对各种新型高能单光子源技术的深入研究。在大规模光量子通信领域中，使用单光子源作为传输数据的载体已成为实现绝对稳定高速量子数据传输的理想选择。单光子源技术作为当前通信系统装置网络架构中的关键组件，具有重要意义。各种基于单光子源系统的技术方案也在被详细讨论和分析。研究结论表明，单光子源技术已经较为成熟，且具有深远持久的前景和发展空间。

关键词：光量子通信；单光子源技术

随着现代量子云计算、量子密码学理论和量子网络通信等一系列量子信息处理技术的快速发展，新型稳定、高效、可靠的单光子源技术成为其中最关键的技术之一。在量子信息技术出现后，迫切需要发展一种更先进、可靠的量子单光子源技术。这种技术的关键在于确保每个光子触发器中至少有一个发出的光子。然而，由于目前技术条件的某些限制，这种近乎理想形态的单个光子源已无法实现，人们只能依靠不断研究、探索和改进，以达到尽可能更接近理想形状的单个光子源。因此，人们只能通过持续的研究、探索和改进来尽可能接近理想的单个光子源。近年来，在现代光量子通信技术的飞速发展下，各种有关单光子源理论的新方法不断涌现。量子通信为信息传输提供了全新的方式，因此，在军事、外交和商业等领域都具有广阔的应用前景[1]。

一、单光子源相关概念分析

（一）发展单光子源的意义

在我国科研及开发过程中，传统的RSA密钥系统也逐渐出现一些劣势，主要原因是在黑客攻击的威胁下，工作安全性降低，并且相关数据容易受到波及。因此，研究量子密钥逐渐成为重要的议题，可以保护数据的安全性。然而，从目前量子研究可以看出，并不存在真正完美的量子单光子源。通常使用的单光子源是通过激光衰减的方式获得的，这种方式能够提供满足量子物理方程分布的光子，对于单光子源技术的发展起到支持作用。但是在光子的传播过程中，可能会伴随能量损耗的现象。因此，在对光子的研究过程中，需要寻找真正完整的单光子源，以满足安全性的要求。单光子源技术已经是当前较为广泛使用的一种通信载体，尤其在光量子通信领域中。然而，在开发过程中常常会遇到大量的纠缠事件，这些纠缠事件会给实际计算应用带来许多问题。为了解决存在的问题，需要不断探索高质量、高品质、高效的单光子源技术。只有这样，才能满足实际应用的需求。

（二）自组装半导体量子点

在单光子源领域的发展过程中，加强对自组装半导体量子点的研究至关重要。量子点技术通常被称为人造原子的一种类型，通过某种三维结构的键合方式将载流子在量子点之间连接起来，使得量子点的表面形态与普通原子结构完全分离，并且能级结构也呈现出类似的特点。在半导体材料的研制和工业实际应用过程中，制备量子点具有广泛的特征。然而，在实际的半导体工业生产和开发过程中，涉及的自组装半导体量子点、三维气体量子点和化学溶胶量子点具有明显的区别。通过组装形成的二维半导体量子点具有稳定的光学特性，其谱线长度相对较窄，亮度分辨率相对较高，并且容易形成可扩展的量子点设备。

二、单光子源技术的单光子特性

作为基本粒子而言，光子系统实际上不可再分割的。在系统被攻击时，无法影响光子携带的量子信号，这是因为量子信号会分离成不同的子系统形式。因此，单个光子可以被视为较为理想的量子信号载体。然而，在当前技术水平下，仍然无法及时制备出非常理想的单光子源。单光子源技术的工作原理见图1。在国内外的一些重要实验项目和量子加密通信演示中，通常利用量子激光技术来减少光源的退化。然而，一旦退化结束，激光技术并不能立即消除多光子情况，这导致光量子通信传输距离受到很大的限制。通过准确测量光源的“单光子性质”，可以掌握光源激发单光子与多光子的相关概率，当一个光源只能激发一个光子时，多次激发单个光子的概率可以趋近于零。通过直接测量共振荧光后的压缩量，可以证明第一物镜处的3.29 dB压缩强度与0.59 dB压缩力度。其中，单光子源的特性可以使用二阶相关的函数来定义：

（1）

在当前许多大规模量子光学实验中，可以使用非偏振分光器将光子场分成彼此大致相等的正负两部分。无论是直接进行光量子加密通信还是量子隐形光传态，所使用的量子光源探测器都必须满足几项基本要求：首先，光子到达光源探测器的时间必须准确，门脉冲幅度也必须大于光脉冲幅度。其次，光源中心的线宽一定要尽量地窄。因为光脉冲的单色性越好，其色散效应就越小。此外，光源的中心波长范围也应尽量相同。否则，在长距离的通信链路中，可能会出现偏振变化不一致的情况。另外，应尽量避免在同一偏振编码系统中重复使用多个偏振光源[2]。

三、光量子通信中的单光子源技术

（一）激光衰减法

激光衰减法是当今科学研究中最普遍的一种单光子源产生或衰减的方式，也称准单光子源。具体实现方法如下：首先，将连续脉冲激光器发射的脉冲激光进行脉冲化；然后逐渐增加激光衰减，直到激光脉冲中通过衰减的每个脉冲信号平均包含的光子数一般小于0.1。这是激光衰减法的实际应用情况，衰减后的激光脉冲信号具有明显的量子效应[3]。激光衰减法的单光子源技术在实验中非常适用，因此在目前大多数物理实验中被广泛使用。这种方法的优点在于易于进行物理实验和参数控制，实验人员能够更好地掌握实验进展情况[2]。但同样实验人员能够更好地掌握实验进展情况也有很多明显的缺点，主要包括：①衰减过程会导致相对较大的能量损失，从而限制了单光子脉冲的产生。②激光衰减法能够产生的单光子脉冲数量较少。③在检测到这些量子信号时，受到背景噪声等因素的影响，可能会变得困难。此外，一些衰減的激光脉冲中可能会包含更多的光子，因此窃听者系统（Eve）也可以利用光子分束技术等手段来获取可靠的信息，从而影响密码系统的安全性。

（二）单原子法

单原子法技术的实现机理基于自由原子在其内部的能级结构上表现出的共振荧光特性。该技术的核心原理如下：当光源辐射的特定频率被自由原子吸收时，其外层电子将发生跃迁，从较低的能级上升到较高的能级。随后，电子会逐渐返回到较低能级或基态，并发射出几乎与激发光源频率相同的荧光。在1977年，美国和法国的金布尔等人首次在实验中观察到钠原子蒸汽产生的电子共振和荧光现象。而在2004年，CIT公司的McKeever等人通过实验成功实现了有效的单光子发射束。然而，由于实验中很难完全控制单光子源的发射能量以及测量数据的获取，目前还没有明确的单光子源发射过程和方法。

（三）单分子法

根据能级理论，在脉冲光子激发的共振状态下，高能电子会被激活到激发态，这个状态极不稳定，会迅速跃迁到基态附近的振动能级。在这个过程中，会逐渐释放出高能荧光光子。这样的电子能级跃迁过程可以重复产生单个光子，但存在限制。当分子的激发态接近激发脉冲的持续时间时，会发生连续的再激发过程，导致产生两个或多个光子，与实现单光子源的要求不符。为了实现单分子光子触发源，必须确保激光脉冲的重复时间远远大于激发态的持续时间，这样可以有效地抑制再激发过程，提高单光子发射的效率。此外，这种方法的优点是在室温下通常具有较高的单光子发射效率。然而，目前仍存在材料的不稳定性和白化现象等问题，需要及时有效地解决这些问题，以提高单分子光子触发源的性能和稳定性。

（四）量子点法

实验与证据表明，单个半导体量子点可以作为单光子源发射出单个光子。在现代工程领域的分析中，半导体量子点材料被认为是为单光子源和发射光系统设计应用的一种成熟理想的材料。相比于其他类型的单光子源结构器件，量子点单光子源的结构可以直接设计到分布式布拉格反射器阵列芯片（DBR）微腔体阵列中，以实现最大的重复扫描速度。现有的实验数据表明，量子点单光子源具有不褪色的特性，并且具有较窄的谱线宽度。因此，量子点单光子源技术被广泛认为是最有潜力的量子点单光子源系统之一。国际上有许多重要的研究机构在使用量子点技术进一步研究量子通信[3]。

（五）单光子源产生技术比较

要想实现实用效果的光量子通信技术，对单光子源技术的研究是至关重要的。只有制造出高质量的单光子源，才能推动光量子通信的应用和发展。在比较不同单光子源的产生方法时，由于涉及产生原理、技术实现和工艺水平等方面的差异，不同方法产生的单光子源在技术指标和应用特点上也会有明显的差异。这些差异会影响最终的使用效果。在这个背景下，表1展示了各种方法之间存在的差异。

四、光量子通信中的单光子源技术的重点设计

（一）优化激光驱动器

在光量子通信中设计单光子源技术时，应优化机关驱动器的形式，以确保中心波长的光稳定性和光脉冲峰值功率输出的一致性。这些光学参数通常由激光器内部的P-I（功率-电流）曲线特性和激光器阈值电流确定。为了确保激光器能够在工作温度变化期间稳定工作，并在使用寿命内正常运行，需要采取措施来补偿或减弱温度急剧变化和材料老化对激光器参数的影响，以确保其正常运行。为了保证激光器的中心波长稳定，可以采用闭环的温度自动补偿调节系统（PID）等技术方法来精确控制激光腔内部的温度。此外，交流耦合可以引入复杂的低频削波，导致基线产生低频抖动甚至漂移。特别是当实际使用的高频激光脉冲中包含大量低频内容时，会出现明显的漂移现象，影响仪器的正常运行。为保持激光脉冲功率输出波形的相干性，使用锥形电感将交流耦合做成磁珠，以有效保证激光器输出功率值在各种随机脉冲条件下的恒定性。

（二）工作状态监控

在设计中，加强对工作状态的监控对于确保系统的稳定运行非常重要。为了实现这一点，可以在温控系统中加入温度传感器，以监测系统的温度。特别是在半导体高发热的敏感区域内，需要不断增加对温控模块的电压和电流的监测。这样可以实时动态地反馈半导体制冷机系统的整体工作状态。

（三）关键信号的布局布线

针对窄脉冲信号产生源和激光系统的驱动输出电源，它们都属于高速脉冲信号，在整个布线和设计过程中必须保证这些脉冲信号源的完整性。为了减少高阻抗信号传输不连续性带来的问题，可以采取以下几种方式来实现最佳设计和性能：1、选择和使用具有良好设计精度的高频布线工艺和具有连续接地层的多层板，以最大限度减少EMI信号泄漏和串扰现象。2、尽量避免线路出现分叉等故障，确保数据输入直接连接在多个IC信号源之间。3、在MAX3949信号输出线和数据传输线之间插入激光二极管，以减少功率损耗和信号串扰。插入的激光二极管长度应尽可能短，并且具有低于50Ω（差分）或超过25Ω（单端）的特性阻抗，以确保良好的性能和避免不良反应。4、使用专用的电源和地层来降低高压线路电感，为输出的高速电流信号提供更好的返回路径。在高速电源线路和I/O接口下方进行连续接地层布线，并将地回路布置在最靠近激光器IC接口和激光器I/O口的位置，以形成IC和激光器的電流回路，并增加滤波和补偿电路以提高性能。

五、结束语

综上所述，光量子通信作为实现信息安全的全新工具，具有巨大的发展潜力和商业价值。科学家们预测全球光量子通信在近几年内将实现，并且单光子源技术已成为现代光量子通信领域中最关键的技术之一。因此，开发高性能安全的单光子源器件迫在眉睫，也是当前亟须解决的问题。尽管国内现有光量子通信技术目前并不理想，存在一些技术性问题，但近年来，学术界对单光子源器件进行了广泛而深入的研究，认识到其在实现光量子通信网络中的重要作用。这些研究不断推动单光子源技术取得更实用的研究成果。然而，在实际应用方面，仍然面临许多挑战。要建立更大规模的光量子通信网络，需要实现不同量子系统之间的相互渗透转换。这意味着需要克服不同系统之间的兼容性和互操作性问题，以实现联合操作和信息交换。在未来的研究和发展中，随着我国各种相关技术的深入研发和进步，预计单光子源技术将逐渐完善，并能够满足实际应用的需求。这将为光量子通信行业的高速发展铺平道路。

作者单位：付帅奇 陈紫畅 徐颖 滨州学院

肖训维 江西财经大学

参  考  文  献

[1]马奔.通讯波段In（Ga）As量子点单光子源及光纤耦合器件的制备[J].物理学报，2021，70（8）：8-76.

[2]虞味，周媛媛.基于预报单光子源的相位匹配被动诱骗态量子密钥分配[J].光学学报，2021，15（5）：11-16.

[3]孟杰，徐乐辰，张成峻，等.标记单光子源在量子密钥分发中的应用[J].物理学报，2022，71（17）：11-77.