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(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(chǔ),，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(yīng)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(yīng)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(yīng)用中使用半導(dǎo)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(jié)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,。
?。?)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(yīng)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(shù)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,。總的發(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(dǎo)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(xué)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(jié)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(xué)的歐洲聯(lián)合研究小組在2002年采用量子點結(jié)構(gòu)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(dǎo)體研究所超晶格國家重點實驗室相關(guān)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(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尺度，其巨大的局域場增強效應(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(xué)微腔結(jié)構(gòu)、金屬表面等都可以改變光場方向,，而共振光學(xué)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(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從理論走向應(yīng)用。