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(jiàn)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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。

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(guò)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(guò)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(guò)激光衰減過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程，這與產(chǎn)生激光的受激輻射過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(yáng)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(wèn)題一定會(huì)得到解決。