量子通信的源頭——單光子源技術(shù)

　　日前，我國(guó)自主研發(fā)的"墨子號(hào)"衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間量子通信聯(lián)接。自此，量子通信這一前沿科技開(kāi)始走入大眾視線。

　　量子通信中有三項(xiàng)核心技術(shù)，分別是單光子源技術(shù)、量子編碼和傳輸技術(shù)、單光子檢測(cè)技術(shù)。大量研究已經(jīng)證明使用單光子源的量子通信是絕對(duì)安全的，并且具有很高的效率。由此可見(jiàn)，理想的單光子源是量子通信的基礎(chǔ)，其特性的研究具有很高的價(jià)值。

　　量子通信的信道有光纖信道和自由空間信道兩種，無(wú)論采用哪種信道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單光子源的質(zhì)量都是影響整個(gè)通信過(guò)程安全性的重要因素。

　　基于安全性方面考慮，為了保證在通信過(guò)程中不會(huì)被光子數(shù)分束攻擊，理想的單光子源應(yīng)該嚴(yán)格滿足每個(gè)脈沖中僅含有一個(gè)光子。然而，現(xiàn)階段大多數(shù)實(shí)驗(yàn)所用的光源都是經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈弱光脈沖衰減得到，其光子數(shù)服從泊松分布。這種光源嚴(yán)格意義上講是無(wú)法實(shí)現(xiàn)單光子脈沖的，實(shí)際做法是盡量降低每個(gè)脈沖里含有兩個(gè)以上光子的幾率，降低到不會(huì)對(duì)安全性產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中通常把含有兩個(gè)以上光子的脈沖控制在5%以下，因此就必須把激光衰減到平均光子數(shù)為0.1，也就是說(shuō)每個(gè)脈沖中平均含有0.1個(gè)光子。通信系統(tǒng)中是存在損耗的，即使脈沖中含有兩個(gè)以上的光子也很少帶來(lái)安全隱患，此外由于脈沖大多是不含光子的空脈沖，因此嚴(yán)重降低了密鑰分配系統(tǒng)的傳輸效率，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的誤碼率。所以高性能單光子源的研究己經(jīng)成為影響量子通信發(fā)展的重要課題之一。目前單光子源方案有以下幾種:

　　(1)強(qiáng)衰減激光脈沖

　　使用平均光子數(shù)很小的相干態(tài)來(lái)充當(dāng)單光子數(shù)態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中使用半導(dǎo)激光器和準(zhǔn)直衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可操作性強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)中很容易實(shí)現(xiàn)。

　　強(qiáng)衰減激光脈沖的光子數(shù)分布為：

　　那么，可以推算出脈沖中含有一個(gè)以上光子的概率為

　　上式在μ<

　　(2)參量下轉(zhuǎn)換單光子源

　　另外一個(gè)研究方向是產(chǎn)生成對(duì)的單光子源，典型的例子是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(PDC)。PDC過(guò)程是根據(jù)晶體X*X非線性效應(yīng)將泵浦光轉(zhuǎn)換為成對(duì)的光子。因此探測(cè)到一個(gè)光子可以暗示第二個(gè)光子的存在。但是這種雙光子對(duì)的產(chǎn)生效率很低，在給定的某一模式中，大約需要1010個(gè)泵浦光子才能產(chǎn)生一個(gè)光子對(duì)。

　　PDC的物理過(guò)程保證輸出的成對(duì)光子具有能量和動(dòng)量上的守恒，在適當(dāng)條件下，一旦空閑光子被探測(cè)到就可以準(zhǔn)確定位它的同胞光子(信號(hào)光子)，這是PDC光源相比其他光源比較優(yōu)越的地方。

　　因?yàn)楸闷止庾愚D(zhuǎn)換為成對(duì)光子是隨機(jī)過(guò)程，對(duì)于微弱的激光光源，這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，成對(duì)光子的產(chǎn)生也是隨機(jī)的，因此不能保證每次有且僅有一個(gè)光子對(duì)產(chǎn)生。多路技術(shù)和存儲(chǔ)方案為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了曙光，這兩種方案具有相同的原理，由于產(chǎn)生成對(duì)光子的概率很低，一旦光子被探測(cè)到，就把它的同胞光子存儲(chǔ)起來(lái)，在隨后的時(shí)間內(nèi)以可控的方式發(fā)射光子?？偟陌l(fā)射率減少了，但是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生有且僅有一個(gè)光子的速率提高了。

　　(3)量子點(diǎn)單光子源

　　使用量子點(diǎn)可以穩(wěn)定地發(fā)出單個(gè)光子流，每個(gè)光子可由光譜過(guò)濾器分離出來(lái)。與其它單光子源相比，量子點(diǎn)單光子源具有高的振子強(qiáng)度，窄的譜線寬度，且不會(huì)發(fā)生光退色。目前的半導(dǎo)體基本上可以覆蓋從可見(jiàn)光到紅外波段。

　　量子點(diǎn)單光子源的研究一直很活躍。2001年Stanford大學(xué)的科研人員在GaAs襯底上長(zhǎng)出一層發(fā)光波長(zhǎng)為877nm的InGaAs量子點(diǎn)，通過(guò)激光器發(fā)射把激光發(fā)射到量子點(diǎn)的臺(tái)面上。結(jié)果表明，在激光脈沖的作用下產(chǎn)生的激子進(jìn)入一個(gè)量子點(diǎn)后，量子點(diǎn)吸收一個(gè)光子后再吸收第二個(gè)光子的可能性大大降低，這使產(chǎn)生反聚束光子流成為可能。Toshiba-Cambridge大學(xué)的歐洲聯(lián)合研究小組在2002年采用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的LED實(shí)現(xiàn)了電注入單光子發(fā)射。2005年他們成功利用量子點(diǎn)制造出波長(zhǎng)在1.3μm通訊波段的單光子光源。2007年，我國(guó)中科院半導(dǎo)體研究所超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究人員成功實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)的單光子發(fā)射:8K溫度下脈沖激光激發(fā)InAs單量子點(diǎn)，可以觀測(cè)到932nm的單光子發(fā)射，發(fā)射速率大于10kHz。但是，這一領(lǐng)域仍然有很多難題需要解決，比如尺寸、形狀的均一性控制，光譜的單色控制，以及對(duì)低溫的要求等。

　　(4)納米天線單光子源

　　基于SPP共振效應(yīng)的納米天線結(jié)構(gòu)可以有效收集光能量，并將其限制在亞波長(zhǎng)尺度，其巨大的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)為納米光子學(xué)提供了廣闊的應(yīng)用前景。

　　目前，每個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)光子的器件己經(jīng)研制成功，問(wèn)題是怎樣將產(chǎn)生的光子沿某一特定的方向高效率地發(fā)射出去。光子晶體、介質(zhì)球、光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)、金屬表面等都可以改變光場(chǎng)方向，而共振光學(xué)天線對(duì)光場(chǎng)的改變更為局限化。它可以將入射光場(chǎng)有效限制在亞波長(zhǎng)區(qū)域，也可使納米尺度的小顆粒輻射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，同時(shí)改變輻射方向。實(shí)驗(yàn)證明，天線的等離子模式調(diào)到附近分子電子躍遷的頻率附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，發(fā)光分子與天線產(chǎn)生足夠強(qiáng)的耦合，這樣就可以控制發(fā)光方向。Van Hulst小組將長(zhǎng)為80nm的鋁制單耦天線接近一個(gè)熒光分子，通過(guò)改變天線與光的耦合方式，分子發(fā)出的光可以被調(diào)整90°。R.Esteban小組于2009年介紹了一種金屬等離子電線產(chǎn)生單光子激發(fā)的方案，該方案是在等離子腔中利用金屬光學(xué)共振原理和避雷針尖端放電理論提出的，并且給出了數(shù)值模擬結(jié)果。隨著表面等離子體的發(fā)展，我們相信納米天線單光子源一定會(huì)從理論走向應(yīng)用。