量子通信的源頭——單光子源技術

網(wǎng)訊：日前，我國自主研發(fā)的"墨子號"衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，首次實現(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始走入大眾視線。

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

　　量子通信的信道有光纖信道和自由空間信道兩種，無論采用哪種信道進行實驗，單光子源的質(zhì)量都是影響整個通信過程安全性的重要因素。

　　基于安全性方面考慮，為了保證在通信過程中不會被光子數(shù)分束攻擊，理想的單光子源應該嚴格滿足每個脈沖中僅含有一個光子。然而，現(xiàn)階段大多數(shù)實驗所用的光源都是經(jīng)過強烈弱光脈沖衰減得到，其光子數(shù)服從泊松分布。這種光源嚴格意義上講是無法實現(xiàn)單光子脈沖的，實際做法是盡量降低每個脈沖里含有兩個以上光子的幾率，降低到不會對安全性產(chǎn)生影響。在實際應用中通常把含有兩個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，也就是說每個脈沖中平均含有0.1個光子。通信系統(tǒng)中是存在損耗的，即使脈沖中含有兩個以上的光子也很少帶來安全隱患，此外由于脈沖大多是不含光子的空脈沖，因此嚴重降低了密鑰分配系統(tǒng)的傳輸效率，同時也增加了系統(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)強衰減激光脈沖

　　使用平均光子數(shù)很小的相干態(tài)來充當單光子數(shù)態(tài)，在實際應用中使用半導激光器和準直衰減器來實現(xiàn)，可操作性強，在實驗中很容易實現(xiàn)。

　　強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以上光子的概率為

　　上式在μ<<l時近似結果為μ/2。其中μ為脈沖的平均光子數(shù)。為了讓脈沖中含有多光子的概率降低，一般μ值都很小，實驗中大多取μ =0.1，這就意味著約5%的非空脈沖含有一個以上的光子�？彰}沖的概率為P=(n=0, μ)≈1-μ,如果本次試驗里選擇較小的平均光子數(shù)刀，那么大部分時間通信鏈路處于閑置狀態(tài)，量子效率很低。若選擇較大的平均光子數(shù)，那么脈沖中將含有大量的多光子脈沖，竊聽者就可以通過光子數(shù)分束攻擊獲取通信過程的信息而不被通信雙方發(fā)現(xiàn)。因此，平均光子數(shù)的選擇對系統(tǒng)的安全性有很大影響。

　�。�2)參量下轉(zhuǎn)換單光子源

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

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

　　因為泵浦光子轉(zhuǎn)換為成對光子是隨機過程，對于微弱的激光光源，這是一個嚴重的問題，成對光子的產(chǎn)生也是隨機的，因此不能保證每次有且僅有一個光子對產(chǎn)生。多路技術和存儲方案為解決這一問題帶來了曙光，這兩種方案具有相同的原理，由于產(chǎn)生成對光子的概率很低，一旦光子被探測到，就把它的同胞光子存儲起來，在隨后的時間內(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)定的時間內(nèi)產(chǎn)生有且僅有一個光子的速率提高了。

　　(3)量子點單光子源

　　使用量子點可以穩(wěn)定地發(fā)出單個光子流，每個光子可由光譜過濾器分離出來。與其它單光子源相比，量子點單光子源具有高的振子強度，窄的譜線寬度，且不會發(fā)生光退色。目前的半導體基本上可以覆蓋從可見光到紅外波段。

　　量子點單光子源的研究一直很活躍。2001年Stanford大學的科研人員在GaAs襯底上長出一層發(fā)光波長為877nm的InGaAs量子點，通過激光器發(fā)射把激光發(fā)射到量子點的臺面上。結果表明，在激光脈沖的作用下產(chǎn)生的激子進入一個量子點后，量子點吸收一個光子后再吸收第二個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大學的歐洲聯(lián)合研究小組在2002年采用量子點結構的LED實現(xiàn)了電注入單光子發(fā)射。2005年他們成功利用量子點制造出波長在1.3μm通訊波段的單光子光源。2007年，我國中科院半導體研究所超晶格國家重點實驗室相關研究人員成功實現(xiàn)了量子點的單光子發(fā)射:8K溫度下脈沖激光激發(fā)InAs單量子點，可以觀測到932nm的單光子發(fā)射，發(fā)射速率大于10kHz。但是，這一領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，以及對低溫的要求等。

　　(4)納米天線單光子源

　　基于SPP共振效應的納米天線結構可以有效收集光能量，并將其限制在亞波長尺度，其巨大的局域場增強效應為納米光子學提供了廣闊的應用前景。

　　目前，每個脈沖產(chǎn)生一個光子的器件己經(jīng)研制成功，問題是怎樣將產(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、光學微腔結構、金屬表面等都可以改變光場方向，而共振光學天線對光場的改變更為局限化。它可以將入射光場有效限制在亞波長區(qū)域，也可使納米尺度的小顆粒輻射強度顯著增強，同時改變輻射方向。實驗證明，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會產(chǎn)生共振，發(fā)光分子與天線產(chǎn)生足夠強的耦合，這樣就可以控制發(fā)光方向。Van Hulst小組將長為80nm的鋁制單耦天線接近一個熒光分子，通過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從理論走向應用。