光量子通信中的單光子源技術(shù)分析

付帥奇?陳紫暢?徐穎?肖訓(xùn)維

摘要：近年來(lái)，光量子通信技術(shù)以爆炸式的增長(zhǎng)速度發(fā)展，并推動(dòng)了對(duì)各種新型高能單光子源技術(shù)的深入研究。在大規(guī)模光量子通信領(lǐng)域中，使用單光子源作為傳輸數(shù)據(jù)的載體已成為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定高速量子數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。單光子源技術(shù)作為當(dāng)前通信系統(tǒng)裝置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的關(guān)鍵組件，具有重要意義。各種基于單光子源系統(tǒng)的技術(shù)方案也在被詳細(xì)討論和分析。研究結(jié)論表明，單光子源技術(shù)已經(jīng)較為成熟，且具有深遠(yuǎn)持久的前景和發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：光量子通信；單光子源技術(shù)

隨著現(xiàn)代量子云計(jì)算、量子密碼學(xué)理論和量子網(wǎng)絡(luò)通信等一系列量子信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，新型穩(wěn)定、高效、可靠的單光子源技術(shù)成為其中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。在量子信息技術(shù)出現(xiàn)后，迫切需要發(fā)展一種更先進(jìn)、可靠的量子單光子源技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于確保每個(gè)光子觸發(fā)器中至少有一個(gè)發(fā)出的光子。然而，由于目前技術(shù)條件的某些限制，這種近乎理想形態(tài)的單個(gè)光子源已無(wú)法實(shí)現(xiàn)，人們只能依靠不斷研究、探索和改進(jìn)，以達(dá)到盡可能更接近理想形狀的單個(gè)光子源。因此，人們只能通過(guò)持續(xù)的研究、探索和改進(jìn)來(lái)盡可能接近理想的單個(gè)光子源。近年來(lái)，在現(xiàn)代光量子通信技術(shù)的飛速發(fā)展下，各種有關(guān)單光子源理論的新方法不斷涌現(xiàn)。量子通信為信息傳輸提供了全新的方式，因此，在軍事、外交和商業(yè)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

一、單光子源相關(guān)概念分析

（一）發(fā)展單光子源的意義

在我國(guó)科研及開發(fā)過(guò)程中，傳統(tǒng)的RSA密鑰系統(tǒng)也逐漸出現(xiàn)一些劣勢(shì)，主要原因是在黑客攻擊的威脅下，工作安全性降低，并且相關(guān)數(shù)據(jù)容易受到波及。因此，研究量子密鑰逐漸成為重要的議題，可以保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性。然而，從目前量子研究可以看出，并不存在真正完美的量子單光子源。通常使用的單光子源是通過(guò)激光衰減的方式獲得的，這種方式能夠提供滿足量子物理方程分布的光子，對(duì)于單光子源技術(shù)的發(fā)展起到支持作用。但是在光子的傳播過(guò)程中，可能會(huì)伴隨能量損耗的現(xiàn)象。因此，在對(duì)光子的研究過(guò)程中，需要尋找真正完整的單光子源，以滿足安全性的要求。單光子源技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)前較為廣泛使用的一種通信載體，尤其在光量子通信領(lǐng)域中。然而，在開發(fā)過(guò)程中常常會(huì)遇到大量的糾纏事件，這些糾纏事件會(huì)給實(shí)際計(jì)算應(yīng)用帶來(lái)許多問題。為了解決存在的問題，需要不斷探索高質(zhì)量、高品質(zhì)、高效的單光子源技術(shù)。只有這樣，才能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

（二）自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)

在單光子源領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)的研究至關(guān)重要。量子點(diǎn)技術(shù)通常被稱為人造原子的一種類型，通過(guò)某種三維結(jié)構(gòu)的鍵合方式將載流子在量子點(diǎn)之間連接起來(lái)，使得量子點(diǎn)的表面形態(tài)與普通原子結(jié)構(gòu)完全分離，并且能級(jí)結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出類似的特點(diǎn)。在半導(dǎo)體材料的研制和工業(yè)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，制備量子點(diǎn)具有廣泛的特征。然而，在實(shí)際的半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)和開發(fā)過(guò)程中，涉及的自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)、三維氣體量子點(diǎn)和化學(xué)溶膠量子點(diǎn)具有明顯的區(qū)別。通過(guò)組裝形成的二維半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有穩(wěn)定的光學(xué)特性，其譜線長(zhǎng)度相對(duì)較窄，亮度分辨率相對(duì)較高，并且容易形成可擴(kuò)展的量子點(diǎn)設(shè)備。

二、單光子源技術(shù)的單光子特性

作為基本粒子而言，光子系統(tǒng)實(shí)際上不可再分割的。在系統(tǒng)被攻擊時(shí)，無(wú)法影響光子攜帶的量子信號(hào)，這是因?yàn)榱孔有盘?hào)會(huì)分離成不同的子系統(tǒng)形式。因此，單個(gè)光子可以被視為較為理想的量子信號(hào)載體。然而，在當(dāng)前技術(shù)水平下，仍然無(wú)法及時(shí)制備出非常理想的單光子源。單光子源技術(shù)的工作原理見圖1。在國(guó)內(nèi)外的一些重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和量子加密通信演示中，通常利用量子激光技術(shù)來(lái)減少光源的退化。然而，一旦退化結(jié)束，激光技術(shù)并不能立即消除多光子情況，這導(dǎo)致光量子通信傳輸距離受到很大的限制。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量光源的“單光子性質(zhì)”，可以掌握光源激發(fā)單光子與多光子的相關(guān)概率，當(dāng)一個(gè)光源只能激發(fā)一個(gè)光子時(shí)，多次激發(fā)單個(gè)光子的概率可以趨近于零。通過(guò)直接測(cè)量共振熒光后的壓縮量，可以證明第一物鏡處的3.29 dB壓縮強(qiáng)度與0.59 dB壓縮力度。其中，單光子源的特性可以使用二階相關(guān)的函數(shù)來(lái)定義：

（1）

在當(dāng)前許多大規(guī)模量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以使用非偏振分光器將光子場(chǎng)分成彼此大致相等的正負(fù)兩部分。無(wú)論是直接進(jìn)行光量子加密通信還是量子隱形光傳態(tài)，所使用的量子光源探測(cè)器都必須滿足幾項(xiàng)基本要求：首先，光子到達(dá)光源探測(cè)器的時(shí)間必須準(zhǔn)確，門脈沖幅度也必須大于光脈沖幅度。其次，光源中心的線寬一定要盡量地窄。因?yàn)楣饷}沖的單色性越好，其色散效應(yīng)就越小。此外，光源的中心波長(zhǎng)范圍也應(yīng)盡量相同。否則，在長(zhǎng)距離的通信鏈路中，可能會(huì)出現(xiàn)偏振變化不一致的情況。另外，應(yīng)盡量避免在同一偏振編碼系統(tǒng)中重復(fù)使用多個(gè)偏振光源[2]。

三、光量子通信中的單光子源技術(shù)

（一）激光衰減法

激光衰減法是當(dāng)今科學(xué)研究中最普遍的一種單光子源產(chǎn)生或衰減的方式，也稱準(zhǔn)單光子源。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：首先，將連續(xù)脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光進(jìn)行脈沖化；然后逐漸增加激光衰減，直到激光脈沖中通過(guò)衰減的每個(gè)脈沖信號(hào)平均包含的光子數(shù)一般小于0.1。這是激光衰減法的實(shí)際應(yīng)用情況，衰減后的激光脈沖信號(hào)具有明顯的量子效應(yīng)[3]。激光衰減法的單光子源技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中非常適用，因此在目前大多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)中被廣泛使用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于易于進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)和參數(shù)控制，實(shí)驗(yàn)人員能夠更好地掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況[2]。但同樣實(shí)驗(yàn)人員能夠更好地掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況也有很多明顯的缺點(diǎn)，主要包括：①衰減過(guò)程會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較大的能量損失，從而限制了單光子脈沖的產(chǎn)生。②激光衰減法能夠產(chǎn)生的單光子脈沖數(shù)量較少。③在檢測(cè)到這些量子信號(hào)時(shí)，受到背景噪聲等因素的影響，可能會(huì)變得困難。此外，一些衰減的激光脈沖中可能會(huì)包含更多的光子，因此竊聽者系統(tǒng)（Eve）也可以利用光子分束技術(shù)等手段來(lái)獲取可靠的信息，從而影響密碼系統(tǒng)的安全性。

（二）單原子法

單原子法技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理基于自由原子在其內(nèi)部的能級(jí)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出的共振熒光特性。該技術(shù)的核心原理如下：當(dāng)光源輻射的特定頻率被自由原子吸收時(shí)，其外層電子將發(fā)生躍遷，從較低的能級(jí)上升到較高的能級(jí)。隨后，電子會(huì)逐漸返回到較低能級(jí)或基態(tài)，并發(fā)射出幾乎與激發(fā)光源頻率相同的熒光。在1977年，美國(guó)和法國(guó)的金布爾等人首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到鈉原子蒸汽產(chǎn)生的電子共振和熒光現(xiàn)象。而在2004年，CIT公司的McKeever等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了有效的單光子發(fā)射束。然而，由于實(shí)驗(yàn)中很難完全控制單光子源的發(fā)射能量以及測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取，目前還沒有明確的單光子源發(fā)射過(guò)程和方法。

（三）單分子法

根據(jù)能級(jí)理論，在脈沖光子激發(fā)的共振狀態(tài)下，高能電子會(huì)被激活到激發(fā)態(tài)，這個(gè)狀態(tài)極不穩(wěn)定，會(huì)迅速躍遷到基態(tài)附近的振動(dòng)能級(jí)。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)逐漸釋放出高能熒光光子。這樣的電子能級(jí)躍遷過(guò)程可以重復(fù)產(chǎn)生單個(gè)光子，但存在限制。當(dāng)分子的激發(fā)態(tài)接近激發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間時(shí)，會(huì)發(fā)生連續(xù)的再激發(fā)過(guò)程，導(dǎo)致產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)光子，與實(shí)現(xiàn)單光子源的要求不符。為了實(shí)現(xiàn)單分子光子觸發(fā)源，必須確保激光脈沖的重復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激發(fā)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，這樣可以有效地抑制再激發(fā)過(guò)程，提高單光子發(fā)射的效率。此外，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在室溫下通常具有較高的單光子發(fā)射效率。然而，目前仍存在材料的不穩(wěn)定性和白化現(xiàn)象等問題，需要及時(shí)有效地解決這些問題，以提高單分子光子觸發(fā)源的性能和穩(wěn)定性。

（四）量子點(diǎn)法

實(shí)驗(yàn)與證據(jù)表明，單個(gè)半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以作為單光子源發(fā)射出單個(gè)光子。在現(xiàn)代工程領(lǐng)域的分析中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料被認(rèn)為是為單光子源和發(fā)射光系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的一種成熟理想的材料。相比于其他類型的單光子源結(jié)構(gòu)器件，量子點(diǎn)單光子源的結(jié)構(gòu)可以直接設(shè)計(jì)到分布式布拉格反射器陣列芯片（DBR）微腔體陣列中，以實(shí)現(xiàn)最大的重復(fù)掃描速度?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，量子點(diǎn)單光子源具有不褪色的特性，并且具有較窄的譜線寬度。因此，量子點(diǎn)單光子源技術(shù)被廣泛認(rèn)為是最有潛力的量子點(diǎn)單光子源系統(tǒng)之一。國(guó)際上有許多重要的研究機(jī)構(gòu)在使用量子點(diǎn)技術(shù)進(jìn)一步研究量子通信[3]。

（五）單光子源產(chǎn)生技術(shù)比較

要想實(shí)現(xiàn)實(shí)用效果的光量子通信技術(shù)，對(duì)單光子源技術(shù)的研究是至關(guān)重要的。只有制造出高質(zhì)量的單光子源，才能推動(dòng)光量子通信的應(yīng)用和發(fā)展。在比較不同單光子源的產(chǎn)生方法時(shí)，由于涉及產(chǎn)生原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工藝水平等方面的差異，不同方法產(chǎn)生的單光子源在技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用特點(diǎn)上也會(huì)有明顯的差異。這些差異會(huì)影響最終的使用效果。在這個(gè)背景下，表1展示了各種方法之間存在的差異。

四、光量子通信中的單光子源技術(shù)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)

（一）優(yōu)化激光驅(qū)動(dòng)器

在光量子通信中設(shè)計(jì)單光子源技術(shù)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化機(jī)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的形式，以確保中心波長(zhǎng)的光穩(wěn)定性和光脈沖峰值功率輸出的一致性。這些光學(xué)參數(shù)通常由激光器內(nèi)部的P-I（功率-電流）曲線特性和激光器閾值電流確定。為了確保激光器能夠在工作溫度變化期間穩(wěn)定工作，并在使用壽命內(nèi)正常運(yùn)行，需要采取措施來(lái)補(bǔ)償或減弱溫度急劇變化和材料老化對(duì)激光器參數(shù)的影響，以確保其正常運(yùn)行。為了保證激光器的中心波長(zhǎng)穩(wěn)定，可以采用閉環(huán)的溫度自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PID）等技術(shù)方法來(lái)精確控制激光腔內(nèi)部的溫度。此外，交流耦合可以引入復(fù)雜的低頻削波，導(dǎo)致基線產(chǎn)生低頻抖動(dòng)甚至漂移。特別是當(dāng)實(shí)際使用的高頻激光脈沖中包含大量低頻內(nèi)容時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的漂移現(xiàn)象，影響儀器的正常運(yùn)行。為保持激光脈沖功率輸出波形的相干性，使用錐形電感將交流耦合做成磁珠，以有效保證激光器輸出功率值在各種隨機(jī)脈沖條件下的恒定性。

（二）工作狀態(tài)監(jiān)控

在設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)對(duì)工作狀態(tài)的監(jiān)控對(duì)于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以在溫控系統(tǒng)中加入溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度。特別是在半導(dǎo)體高發(fā)熱的敏感區(qū)域內(nèi)，需要不斷增加對(duì)溫控模塊的電壓和電流的監(jiān)測(cè)。這樣可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地反饋半導(dǎo)體制冷機(jī)系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)。

（三）關(guān)鍵信號(hào)的布局布線

針對(duì)窄脈沖信號(hào)產(chǎn)生源和激光系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輸出電源，它們都屬于高速脈沖信號(hào)，在整個(gè)布線和設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證這些脈沖信號(hào)源的完整性。為了減少高阻抗信號(hào)傳輸不連續(xù)性帶來(lái)的問題，可以采取以下幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)和性能：1、選擇和使用具有良好設(shè)計(jì)精度的高頻布線工藝和具有連續(xù)接地層的多層板，以最大限度減少EMI信號(hào)泄漏和串?dāng)_現(xiàn)象。2、盡量避免線路出現(xiàn)分叉等故障，確保數(shù)據(jù)輸入直接連接在多個(gè)IC信號(hào)源之間。3、在MAX3949信號(hào)輸出線和數(shù)據(jù)傳輸線之間插入激光二極管，以減少功率損耗和信號(hào)串?dāng)_。插入的激光二極管長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，并且具有低于50Ω（差分）或超過(guò)25Ω（單端）的特性阻抗，以確保良好的性能和避免不良反應(yīng)。4、使用專用的電源和地層來(lái)降低高壓線路電感，為輸出的高速電流信號(hào)提供更好的返回路徑。在高速電源線路和I/O接口下方進(jìn)行連續(xù)接地層布線，并將地回路布置在最靠近激光器IC接口和激光器I/O口的位置，以形成IC和激光器的電流回路，并增加濾波和補(bǔ)償電路以提高性能。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光量子通信作為實(shí)現(xiàn)信息安全的全新工具，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)價(jià)值。科學(xué)家們預(yù)測(cè)全球光量子通信在近幾年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)，并且單光子源技術(shù)已成為現(xiàn)代光量子通信領(lǐng)域中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。因此，開發(fā)高性能安全的單光子源器件迫在眉睫，也是當(dāng)前亟須解決的問題。盡管國(guó)內(nèi)現(xiàn)有光量子通信技術(shù)目前并不理想，存在一些技術(shù)性問題，但近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)單光子源器件進(jìn)行了廣泛而深入的研究，認(rèn)識(shí)到其在實(shí)現(xiàn)光量子通信網(wǎng)絡(luò)中的重要作用。這些研究不斷推動(dòng)單光子源技術(shù)取得更實(shí)用的研究成果。然而，在實(shí)際應(yīng)用方面，仍然面臨許多挑戰(zhàn)。要建立更大規(guī)模的光量子通信網(wǎng)絡(luò)，需要實(shí)現(xiàn)不同量子系統(tǒng)之間的相互滲透轉(zhuǎn)換。這意味著需要克服不同系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性問題，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合操作和信息交換。在未來(lái)的研究和發(fā)展中，隨著我國(guó)各種相關(guān)技術(shù)的深入研發(fā)和進(jìn)步，預(yù)計(jì)單光子源技術(shù)將逐漸完善，并能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。這將為光量子通信行業(yè)的高速發(fā)展鋪平道路。

作者單位：付帥奇 陳紫暢 徐穎 濱州學(xué)院

肖訓(xùn)維 江西財(cái)經(jīng)大學(xué)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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