光量子通信中的單光子源技術(shù)分析*

張艷霞 ，郭 磊

（1.軍事科學(xué)院評(píng)估論證研究中心，北京 100093；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100091）

0 引 言

當(dāng)前，隨著量子計(jì)算、量子密碼術(shù)以及量子網(wǎng)絡(luò)等形式的量子信息處理技術(shù)高速發(fā)展，穩(wěn)定、高效可靠的單光子源已經(jīng)成為了其中一個(gè)非常關(guān)鍵的重要前提。在量子信息技術(shù)出現(xiàn)之后，就急需要一種新型的單光子源，基于單光子編碼的需要，理想的單光子源中光子的數(shù)目不僅能夠人為控制，更重要的是，每次觸發(fā)只有一個(gè)光子出射。但由于技術(shù)條件的限制，這種理想的單光子源是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，人們只能不斷的研究、探索、改進(jìn)，盡可能制備的接近理想的單光子源。

一般來(lái)說(shuō)，單光子源可分為兩類孤立量子系統(tǒng)和兩光子發(fā)射體。第一類是孤立的量子系統(tǒng)，每激發(fā)只發(fā)射一個(gè)光子。該方法使系統(tǒng)獲得有效的激勵(lì)，較高的輸出收集效率和優(yōu)良的隔離。第二種是光源可以一次發(fā)射兩個(gè)光子。在這里，一個(gè)光子的探測(cè)意味著第二個(gè)光子的存在。這樣，第二個(gè)光子就可以被操縱和發(fā)射。近年來(lái)，隨著量子通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們提出了各種新的單光子源的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)[1]。

1 單光子源的單光子特性

衡量一個(gè)光源的“單光子性”指的是，該光源激發(fā)出單光子與多光子的相對(duì)概率。一個(gè)光源每次激發(fā)出一個(gè)光子的同時(shí)，零概率激發(fā)出多個(gè)光子，這樣的光源稱之為一個(gè)理想的單光子源。單光子源的特性用二階相關(guān)函數(shù)來(lái)定義，即：

其中，定義為光子數(shù)算子和∷為算子正常運(yùn)算順序，即由湮沒(méi)算子a^向右作用于產(chǎn)生算子在許多量子光學(xué)試驗(yàn)中，經(jīng)常用一個(gè)非極化的光分路器把一個(gè)光子場(chǎng)分成兩個(gè)相等的部分，分別送到各自的光探測(cè)器。

不管是量子密碼通信還是量子隱形態(tài)傳輸，都要求所用的光源需要具備以下幾點(diǎn)要求：

一是光源中光子到達(dá)的時(shí)間必須相對(duì)穩(wěn)定，這是因?yàn)樘綔y(cè)器使用了門脈沖探測(cè)模式，因此，要求光源的脈沖具有較小的時(shí)間抖動(dòng)，另外門脈沖的寬度必須大于光脈沖的寬度以保證完整探測(cè)，因此光脈沖的脈寬直接決定了門脈沖的可用最小門寬，由于噪聲是隨機(jī)分布的，更小的門寬就能夠獲得更高的信噪比，因此系統(tǒng)要求光脈寬盡量窄，并用相應(yīng)的門寬探測(cè)，這樣這對(duì)于探測(cè)性能的提升是非常明顯的。

二是光源的線寬也應(yīng)該盡量窄，因?yàn)楣饷}沖的單色性越好，色散效應(yīng)就越弱。而且光源間的中心波長(zhǎng)也應(yīng)該一致，否則在長(zhǎng)距離通信中可能帶來(lái)偏振變化不一致的情況。

三是在偏振編碼方案中用到了多個(gè)光源，這種情況下光源之間的光脈沖幅度應(yīng)該基本一致，否則Eve有可能通過(guò)鑒別光脈沖的強(qiáng)度來(lái)區(qū)別不同的偏振態(tài)。

2 單光子源產(chǎn)生的技術(shù)

光子作為一種基本粒子，是不可分割的，因此攻擊者無(wú)法從光子攜帶的量子信號(hào)中分離出其他任何子系統(tǒng)。所以單個(gè)光子可以作為一個(gè)特別理想的量子信號(hào)載體，然而，由于目前技術(shù)水平的限制，還不可能制備出理想的單光子源。因此，目前在實(shí)驗(yàn)中，特別是在量子密碼通信實(shí)驗(yàn)的演示中，采用了另一種方法，即激光衰減光源。但經(jīng)過(guò)衰減后，激光無(wú)法消除多光子的存在，無(wú)法避免光子數(shù)分離的攻擊，最大安全通信距離受到極大限制。因此，穩(wěn)定、高效、可靠的單光子源制備技術(shù)已經(jīng)成為量子通信技術(shù)和量子密鑰分配技術(shù)在實(shí)際和工業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

目前，單光子制備技術(shù)主要有以下幾種：

2.1 激光衰減方法

這是目前科學(xué)研究中最常用的單光子產(chǎn)生方法，稱為準(zhǔn)單光子源。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:單模激光器的基礎(chǔ)上，將激光器發(fā)出的連續(xù)激光首先進(jìn)行脈沖化處理，然后通過(guò)一步一步的增加對(duì)其的衰減，直到增加衰減使得光子包含在每一個(gè)脈沖的平均數(shù)量小于0.1，其工作原理如圖1所示。此時(shí)，衰減后的激光脈沖信號(hào)具有明顯的量子效應(yīng)，其特性非常接近單光子量子信號(hào)。

圖1 激光衰減法

采用這種方法的單光子源非常簡(jiǎn)單、適用，因此在目前的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中得到了應(yīng)用。該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)上易于實(shí)現(xiàn)和控制，但是存在很多的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)主要包括：衰減產(chǎn)生的能量損失比較大；最終產(chǎn)生出的單光子脈沖數(shù)目比較少；而且產(chǎn)生的單光子脈沖速率也很低；經(jīng)過(guò)衰減以后的脈沖中還包括大量零光子脈沖；再加上背景噪聲的影響，在最終的量子信號(hào)檢測(cè)中容易錯(cuò)誤或者變得困難。另一方面，這種經(jīng)過(guò)衰減以后的激光脈沖中，部分脈沖中很有可能還包含多個(gè)光子，這樣，竊聽者（Eve）就可以采用分束技術(shù)，從而獲得有效信息，影響密碼系統(tǒng)的安全性[3]。

2.2 單原子法

利用單原子方法的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，就是利用一個(gè)兩能級(jí)原子的一個(gè)固有的共振熒光特性，原理如下：在光源的特征輻射被自由原子吸收后，原子的外層電子躍遷到更高的能級(jí)，然后跳回到基態(tài)或更低的能級(jí)，并發(fā)出熒光，此熒光與原始激發(fā)光的波長(zhǎng)相同。美國(guó)人Kimble等在1977年，第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到了鈉原子蒸汽的共振熒光現(xiàn)象[4]。2004年，CIT的McKeever等人[5]又在通過(guò)實(shí)驗(yàn)，把Cs原子限制在腔中實(shí)現(xiàn)了單光子發(fā)射。此方法，雖然實(shí)現(xiàn)單光子的發(fā)射，但這種光子并不能用在通信波段，而且在實(shí)驗(yàn)上，也很難控制這種單個(gè)原子的度量和獲得，所以這種單光子的制備方法還不能進(jìn)入實(shí)用化。

2.3 單分子法

如圖2所示，給出了單分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，由能級(jí)理論可知，在脈沖光激發(fā)的作用下，基態(tài)能級(jí)中的電子將被泵浦到激發(fā)態(tài)。被激發(fā)的電子，由于極不穩(wěn)定，迅速躍遷到基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)，在此過(guò)程中，會(huì)輻射出一個(gè)熒光光子，隨著能級(jí)之間的不斷變化，將繼續(xù)產(chǎn)生單光子[6]。這種激勵(lì)也有一定的限制，當(dāng)分子激發(fā)態(tài)的壽命小于或接近激發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間時(shí)，將產(chǎn)生再激發(fā)過(guò)程，從而產(chǎn)生兩個(gè)或更多個(gè)光子。因此，為了形成觸發(fā)的單分子光子源，重復(fù)激光脈沖周期必須遠(yuǎn)長(zhǎng)于分子激發(fā)態(tài)的壽命。

此種方法的優(yōu)點(diǎn)是，即使在室溫時(shí)單光子的發(fā)射效率也很高，但目前的一些實(shí)現(xiàn)中存在著材料不太穩(wěn)定和漂白現(xiàn)象等問(wèn)題。

圖2 脈沖激光激發(fā)三能級(jí)分子產(chǎn)生單光子

2.4 量子點(diǎn)法

量子點(diǎn)是把激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。有時(shí)被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點(diǎn)原子”，是20世紀(jì)90年代提出來(lái)的一個(gè)新概念。由于量子點(diǎn)可以觀察到光子聚束的影響，許多實(shí)驗(yàn)證明單量子點(diǎn)可以發(fā)射單個(gè)光子。從實(shí)際的角度來(lái)看，半導(dǎo)體量子點(diǎn)為單光子發(fā)射系統(tǒng)提供了理想的單光子源材料。與其它單光子光源相比，量子點(diǎn)單光子源可以很方便的集成在分布布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector，DBR）微腔中，或者嵌入到p-i-n結(jié)中以便制作集成電路器件[7]，而且在最大重復(fù)速率、工作溫度、單光子發(fā)射質(zhì)量、光源尺寸等方面均有優(yōu)越性。目前的實(shí)驗(yàn)表明，量子點(diǎn)的單光子源不褪色，譜線寬度窄，振蕩器強(qiáng)度高。因此，量子點(diǎn)的單光子源被認(rèn)為是最有潛力的單光子源之一，許多國(guó)際研究小組將其用于量子通信的研究。

2.5 自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換法

1970年 Burnham D C，Weinberg D L在 光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了自發(fā)下參量轉(zhuǎn)換過(guò)程（Spontaneous Parametric Down-conversion，SPDC）現(xiàn)象，此后，對(duì)自發(fā)下參量轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的雙光子的時(shí)間、空間、以及偏振的糾纏特性研究一直備受關(guān)注[8]。與產(chǎn)生單光子態(tài)的諸多方法相比，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換利用非線性晶體的非線性過(guò)程，把泵浦光子轉(zhuǎn)換為一對(duì)具有糾纏特性的光子對(duì)，所以只要能測(cè)到一個(gè)光子，就一定存在它的孿生光子[9]。由此可見，采用自發(fā)下參量轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的單光子能夠在不被破壞情況下，同時(shí)確認(rèn)單光子的存在。

光路工作原理如圖3所示，但因光脈沖中光子個(gè)數(shù)的泊松統(tǒng)計(jì)特性以及當(dāng)前市場(chǎng)上的單光子計(jì)數(shù)器模塊也不能分辨出光脈沖中含有的是一個(gè)光子還是多個(gè)光子，這樣就造成了很大的實(shí)驗(yàn)誤差。

圖3 參數(shù)下轉(zhuǎn)換光路工作原理

2.6 其他方法

由于單光子光源在量子通信及量子計(jì)算方面研究的重要性，單光子源在國(guó)內(nèi)外一直都處在研究的熱點(diǎn)。除了上面介紹的單光子源制備方法，還有一些學(xué)者或者提出過(guò)一些其他方法，如：轉(zhuǎn)柵（turnstile）單光子器件法和金剛石色心單光子法等。轉(zhuǎn)柵單光子器件法是利用電子和空穴的隧道效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單光子的發(fā)射，這是發(fā)表在1999年的Nature上一項(xiàng)成果。金剛石色心單光子法是利用金剛石中的氮空位在室溫下產(chǎn)生單光子發(fā)射，2002年，Rosa Brouri利用這種單光子源實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分配。但由于這些方案的實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，而且光子的產(chǎn)生效率或者探測(cè)效率很低，目前都只是在實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行[10-11]。

2.7 單光子源產(chǎn)生技術(shù)的比較

要發(fā)展能夠真正實(shí)用化的光量子通信技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)現(xiàn)確定性的高品質(zhì)單光子源，通過(guò)以上對(duì)各種單光子源產(chǎn)生技術(shù)的分析可知，各種不同的單光子源，由于產(chǎn)生原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工藝水平各不相同，因而產(chǎn)生的單光子源在技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)用特性方面也各不相同，表1給出了各種不同方法的區(qū)別[12-14]。

表1 單光子源的性能比較

3 結(jié) 語(yǔ)

如何獲得穩(wěn)定，高效，可靠的單光子源已成為量子通信實(shí)際應(yīng)用的瓶頸，因此迫切需要開發(fā)一種高性能的單光子發(fā)射器件。雖然現(xiàn)有技術(shù)不理想，且存在很多問(wèn)題，但由于單光子源在量子密碼通信中的重要作用，對(duì)其的研究已在世界范圍內(nèi)得到廣泛開展，并取得了很大的成果。相信隨著研究的進(jìn)展和各種技術(shù)的發(fā)展。單光子光源技術(shù)將日益完善，從而推動(dòng)量子通信的巨大發(fā)展。