單光子源研究進(jìn)展分析

摘 要：隨著量子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有量子效應(yīng)的單光子在信息處理、信息探測(cè)中扮演著重要角色。本文主要介紹了激光衰減，基于原子、量子點(diǎn)等的按需單光子制備是最常見幾種獲取單光子源的方法。目前，針對(duì)單光子源的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展，多個(gè)研究組成功實(shí)現(xiàn)了常溫下工作、高效率、高不可分辨率的單光子源。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾?激光衰減;需求單光子源;量子點(diǎn)

1 緒論

20世紀(jì)初，光是由光子組成的假設(shè)被提出。一百年后，光子已經(jīng)成為量子信息科學(xué)研究的重要粒子。

量子信息技術(shù)出現(xiàn)之后，隨著量子通信、量子計(jì)算、高精度檢測(cè)等量子信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，量子光源在高新技術(shù)的研究中起著來越重要的作用。其中，單光子的獲取逐漸成為國(guó)內(nèi)外科研熱點(diǎn)之一。

2 單光子激光器發(fā)展?fàn)顩r

理想的單光子源在每個(gè)激發(fā)脈沖僅僅發(fā)射一個(gè)光子，這是一種光子反聚束現(xiàn)象。理想的單光子源需要滿足以下條件：（1）按照使用者需要在任意時(shí)刻發(fā)射單個(gè)光子，使得發(fā)射單光子的概率為1;（2）一旦發(fā)射光子，每個(gè)光子在理想量子通道的效率具有統(tǒng)一性;（3）發(fā)出的每個(gè)光子應(yīng)該是無法區(qū)分的，具有全同性。[1]

但是在實(shí)際工程中，單光子源的使用效果并不令人滿意，大量的實(shí)驗(yàn)室都是使用準(zhǔn)單光子源，即是利用激光衰減的方法得到單光子，而備受市場(chǎng)期待的按需單光子源大多僅存在于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離大范圍商用仍然有一段距離。不可否認(rèn)，單光子源的發(fā)展迅速，世界上很多國(guó)家均已報(bào)道過單光子源方面的重大研究成果，量子點(diǎn)單光子源、原子單光子源等按需單光子源制備上均取得較大進(jìn)步。

3 單光子源國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 激光衰減單光子源

激光衰減單光子源是當(dāng)前研究機(jī)構(gòu)常用的單光子源產(chǎn)生手段。這種方法易于操作且便于實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)單模激光器產(chǎn)生的單模激光脈沖進(jìn)行一定倍率的衰減，直到單個(gè)脈沖中所包含的平均光子數(shù)小于0.1。[2]

在對(duì)微弱光的檢測(cè)中，單光子起著重要的作用。紫外單光子成像系統(tǒng)[3]在極其微小的檢測(cè)成像中扮演著重要的角色。該系統(tǒng)中汞燈發(fā)出的光在多層減光片的作用產(chǎn)生了光強(qiáng)極弱的紫外單光子流，然后通過光電轉(zhuǎn)換和電子倍增，最后利用高速采集卡實(shí)現(xiàn)采集輸出波形，通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理得到了最后為弱光探測(cè)結(jié)果。

通過激光衰減過后的單光子具有明顯的量子效應(yīng)，但是存在能量損耗大、單光子數(shù)較少、產(chǎn)生多光子和零光子、效率低下等問題。

隨著量子通信加密和線性光量子計(jì)算地深入研究，通過衰減法得到的單光子已經(jīng)不能滿足實(shí)驗(yàn)需求，人們迫切需要更完美的單光子源，這驅(qū)使著人們研究以按需單光子源為代表的單光子源獲取方法。

3.2 按需單光子源

按需單光子源是指根據(jù)人們需要，在任意時(shí)間產(chǎn)生單光子源。目前，產(chǎn)生按需單光子源的方法很多，包括原子單光子源、分子單光子源、量子點(diǎn)單光子源等。

這些方法和使用材料雖然不同，但是大多數(shù)都是基于相同的原理，類似于產(chǎn)生激光的兩能級(jí)結(jié)構(gòu)的共振熒光過程，這與產(chǎn)生激光的受激輻射過程有所區(qū)別。共振熒光特性是指的單個(gè)原子吸收特征輻射后成為激發(fā)態(tài)原子，原子最外層的電子躍遷到較高的能級(jí)上，然后躍遷到較低能級(jí)或者基態(tài)上，在此過程中電子發(fā)射出與原子激發(fā)光波波長(zhǎng)相同的熒光。

3.2.1 原子單光子源

利用單個(gè)原子的共振熒光特性可以實(shí)現(xiàn)原子單光源的制備。20世紀(jì)70年代，美國(guó)的Kimbl[4]在實(shí)驗(yàn)室中第一次發(fā)現(xiàn)了原子的共振熒光特性。隨后，21世紀(jì)初人們利用在光學(xué)腔中銫原子得到了單光子源。實(shí)驗(yàn)將一個(gè)銫原子耦合到一個(gè)光學(xué)腔中，并用一束激光進(jìn)行照射。銫原子在這個(gè)進(jìn)行共振熒光的過程中發(fā)射出光子，在外界的激光的作用下使得單光子源源不斷的產(chǎn)生。

此外，在實(shí)驗(yàn)室中利用銣原子也可以得到單光子源，Bochmann研究組將銣原子控制在精密的光學(xué)腔中在波長(zhǎng)780nm單光子的產(chǎn)生效率為56%，單光子的輸出效率高達(dá)89%，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近完美的單光子。

即使這樣，原子單光子源產(chǎn)生的單光子在應(yīng)用上仍然存在較大問題，比如產(chǎn)生的光子波長(zhǎng)不在通信波段內(nèi)，溫度要求嚴(yán)格。

3.2.2 量子點(diǎn)單光子源

20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)具有光子聚束效應(yīng)且能發(fā)射單光子。目前大量實(shí)驗(yàn)研究表明，量子點(diǎn)單光子源具有較高的振子強(qiáng)度、較窄的譜線寬度且不會(huì)發(fā)生光褪色。因此，基于量子點(diǎn)的單光子源被稱為最完美的單光子源。

2014年，美國(guó)密歇根大學(xué)的研究組得到了可以在室溫下工作的InAs/GaAs量子點(diǎn)單光子源，并最終測(cè)得g（2）（0）=0.29。

為了追求完美的單光子源，2019年潘建偉、陸朝陽研究組首次在橢圓微柱和橢圓布拉格光柵兩種極化橢圓微腔實(shí)現(xiàn)偏振單光子，實(shí)驗(yàn)得到微柱（布拉格光柵）不可分辨率0.975±0.006（0951±0.005），偏振單光子效率為0.60±0.02（0.56±0.02）。該項(xiàng)試驗(yàn)同時(shí)提高了不可分辨性和系統(tǒng)效率，為人們找到完美單光子源提供了最有價(jià)值的途徑。

4 總結(jié)與展望

隨著量子領(lǐng)域研究的不斷深入，單光子源不僅在量子通信加密、量子計(jì)算領(lǐng)域中起著重要作用，在生物醫(yī)學(xué)成像、精密儀器測(cè)量等領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外大量研究組正在對(duì)單光子光源進(jìn)行如火如荼的研究，并致力于得到完美的單光子源。隨著科學(xué)研究的深入，單光子應(yīng)用難的問題一定會(huì)得到解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]張革.常溫單光子源的制備與測(cè)試[D].北京交通大學(xué)，2015.

[2]張曉峰，朱俊，曾貴華.量子光源綜述[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，31（02）：83-93.

[3]張興華，趙寶升，繆震華，朱香平，劉永安，鄒瑋.紫外單光子成像系統(tǒng)的研究[J].物理學(xué)報(bào)，2008（07）：4238-4243.

[4]許凱麗.基于摻鉺光纖單光子源的研究[D].聊城大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介：張哲（1999-），男，漢族，重慶人，本科，量子光學(xué)、激光。