淺析單光子干涉及其應(yīng)用

毛威媚

摘 要：本文對(duì)單光子干涉現(xiàn)象做了簡(jiǎn)述，并討論了其發(fā)展史上的著名實(shí)驗(yàn)。針對(duì)Mach-Zehnder干涉儀中單光子干涉的which-way問(wèn)題，得出光子的路徑選擇信息和光子的干涉結(jié)果無(wú)法被同時(shí)獲知的特點(diǎn)，并簡(jiǎn)述了此原理在量子保密通信中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾痈缮?；which-way；量子保密通信

引言

在波動(dòng)光學(xué)中，我們得知兩列波之間可以干涉形成干涉條紋，這體現(xiàn)了光的波動(dòng)屬性。然而當(dāng)考慮到光的粒子屬性時(shí)，其也可以干涉形成一定的干涉條紋。原因是微觀粒子的波動(dòng)性是一種概率波，當(dāng)大量光子通過(guò)雙縫時(shí)，會(huì)按照一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律出現(xiàn)于觀測(cè)屏，即在光子出現(xiàn)概率大的地方較亮，光子出現(xiàn)概率小的地方較暗，從而形成干涉條紋。但如果設(shè)法讓光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)雙縫，在較長(zhǎng)時(shí)間后仍可形成干涉條紋，這就是單光子干涉現(xiàn)象。

狄拉克曾說(shuō)：“每個(gè)光子只是跟自己干涉。干涉絕不會(huì)發(fā)生在不同的光子之間?！蹦敲词欠裨诟缮嬷幸粋€(gè)光子是分成兩半分別通過(guò)兩個(gè)狹縫，然后會(huì)合從而產(chǎn)生干涉條紋的呢？這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直存在著爭(zhēng)議。

最早嘗試用實(shí)驗(yàn)解決爭(zhēng)議的是英國(guó)科學(xué)家Taylor，他在1909年設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)嘗試觀測(cè)單光子的干涉。他利用一個(gè)氣體放電光源照明一枚小的針尖，在遠(yuǎn)處用一照相膠片記錄下所產(chǎn)生的衍射圖像。此實(shí)驗(yàn)中，光源的強(qiáng)度被大大衰減，平均每秒只有106個(gè)光子。如果這些光子是等間隔發(fā)出的，那么前后兩個(gè)光子之間的平均距離約為300米，即可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了單光子。經(jīng)過(guò)六個(gè)月的曝光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了衍射圖案。

Taylor的實(shí)驗(yàn)似乎是表明了單光子確實(shí)是與其自身干涉的，且隨后陸續(xù)的一些科學(xué)家也做了類似的實(shí)驗(yàn)，例如1969年Reynolds采用楊氏雙縫干涉和F-P干涉儀做的實(shí)驗(yàn)，其中絕大多數(shù)都肯定了Taylor的結(jié)論。

然而隨著對(duì)光的量子本性認(rèn)識(shí)的深化，人們了解到光子并不是均勻地分布在光束中，實(shí)際中的光子其實(shí)是忽疏忽密地分布在光子流中的，也就是所謂的光子聚簇。因此降低光的強(qiáng)度并不意味著可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)單光子的目標(biāo)，這也就表明Taylor及相關(guān)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是不可靠的。

1986年法國(guó)Aspect教授等提出一個(gè)嚴(yán)格測(cè)試光路中是否只存在一個(gè)光子的裝置，如下圖所示。此裝置中，極弱的光源S發(fā)出的光束在分光板BS處反射或透射，可以分別被相應(yīng)的計(jì)數(shù)器Nr和Nt記錄。而Nc為符合計(jì)數(shù)器，即當(dāng)另兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)獲得計(jì)數(shù)時(shí)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。為與光源同步的門電路脈沖開關(guān)，以增加計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確度。

因此只有當(dāng)Nr或Nt有計(jì)數(shù)而Nc無(wú)計(jì)數(shù)時(shí)，才意味著在對(duì)應(yīng)光路中只存在一個(gè)光子。

此實(shí)驗(yàn)也表明僅僅減弱光源強(qiáng)度無(wú)法實(shí)現(xiàn)單光子，而要如何得到單光子光源，很多科學(xué)家投身其中進(jìn)行了研究。近年來(lái)，單光子光源的研制得到了很大突破，一些切實(shí)有效的單光子系統(tǒng)被提出并實(shí)施，因此，單光子干涉的實(shí)驗(yàn)才得以真正實(shí)現(xiàn)。

如下圖所示為經(jīng)典的Mach-Zehnder干涉儀，其中S為單光子光源，BS為分束器，M為反射鏡，D為探測(cè)器。

當(dāng)干涉儀的兩條路徑相等時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為D1能探測(cè)到光子而D2則無(wú)。然而對(duì)于光子到達(dá)探測(cè)器的路徑卻無(wú)法知曉。反之，若探得光子走的路徑，則上述結(jié)果將遭到破壞。例如探測(cè)到光子所走路線為T，則最終到達(dá)D1和D2的概率將分別都為1/2，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。

上述問(wèn)題就是單光子干涉中的which-way問(wèn)題。如果令單光子一個(gè)一個(gè)通過(guò)雙縫，那么在一定時(shí)間之后在觀測(cè)屏上將呈現(xiàn)出楊氏雙縫干涉條紋圖像。而如果設(shè)法在雙縫后窺探光子的路徑，則干涉條紋消失。也即，我們無(wú)法同時(shí)獲知光子的路徑選擇信息和得到光子的干涉結(jié)果。

單光子干涉的此種特性使得其在量子保密通信中占有重要地位。在量子保密通信中，密鑰的信息被加載在單光子上。任何竊聽(tīng)者若要獲取相關(guān)信息勢(shì)必要進(jìn)行測(cè)量，而測(cè)量就會(huì)在一定程度上改變單光子原來(lái)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子誤碼率的異常增加，致使竊聽(tīng)行為被發(fā)現(xiàn)。通信時(shí)通信雙方密切監(jiān)察量子誤碼率的情況，若發(fā)現(xiàn)異常增加則可立即擯棄，重新進(jìn)行通信。這種保密通信被證明是一種絕對(duì)安全和保密的方法。

但就目前而言，此種通信除了在數(shù)據(jù)安全傳輸方面的優(yōu)勢(shì)外，在其它技術(shù)領(lǐng)域并沒(méi)有特別的優(yōu)勢(shì)，例如在傳輸速率、抗干擾性能等方面就很難超越經(jīng)典的通信系統(tǒng)。其技術(shù)條件等還有待提高，但其在實(shí)際應(yīng)用方面的發(fā)展將是一個(gè)明顯的趨勢(shì)。

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