單光子源及在量子信息領域的應用分析

鄭宇妮 魏文奇 儲瑞

摘 ? 要：在未來世界的發展前景中，光量子比特是進行量子通信的主要體系之一，單光子源有著穩定性較強、效率較高、質量較強等方面的特點，是保證量子通信安全性的重要保證。在量子點外我們可以對其施加電場，將單個原子囚禁起來，并且對光量子網絡進行擴展，那么在這樣的技術條件下，微注腔耦合的量子點就擁有了物理學中較強的Purcell效應，也就是說在保證單光子和光子全同性的同時使其工作效率顯著提升，而且其相干性能也是比較卓越的，大規模的量子計算也成為了一種可能。在當前的科學研究領域之中，人們偶然在二維單原子層材料中發現了非經典的單光子發射，這就使得量子光學領域和二維材料有了融合的可能性，是未來發展的新的思路。本文立足于實際，結合當前科學理論研究的背景，提出了發展單光子源的意義和重要性，并且分析了單光子源在量子信息領域中的應用。

關鍵詞：單光子源 ?量子 ?信息領域 ?應用

中圖分類號：TN918 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（b）-0136-02

隨著科學技術的進步和社會的發展，各行各業對信息技術的依賴性逐步加強，在社會進步的同時人們對信息處理的速度要求也隨之增高，在傳統的信息技術領域，傳統的信息技術主要是依賴單一芯片上的集成晶體管數量的增加來完成速度的提升的，外國學者Moore曾經指出單一芯片上的集成晶體管的數目應當和人類社會發展的速度相匹配，也就是可以每隔18個月翻一番，在這一思想的指導和支配下，傳統的信息技術有著飛速地發展，但是在發展的過程中，晶體管的體積越來越小，甚至可以小到原子的尺度，那么這個時候量子隧穿的效應可以明顯地顯示出來，所以，傳統的Moore定律也將不會再起作用。在隨后學者的研究過程中，量子秘鑰的研發、平衡函數的算法、量子隱形傳態等新的領域的探索和研究使得量子通信和量子計算在一些信息科學技術方面有著其他材料所不具備的獨特優勢，這一領域的應用和發現使得量子信息越來越受到學者們的關注。

量子比特是量子信息中最基本的一個單元，而且具有獨特的性質，從物理學的研究領域來看，量子比特的載體在物理學中有著各種各樣的系統，其中有核自旋、冷原子、光子等方面的內容，其中光量子比特最大的優勢就在于其有著很強的相干性，可以實現完美的操縱作用，充分地利用光傳播的相關優勢，是發展量子通信和量子計算中的一個最優的選擇，是未來發展的主要研究方向。

1 ?單光子源的相關概念分析

1.1 發展單光子源的意義

在科學研究發展進程中，傳統的RSA秘鑰的安全性被破解，其安全性受到了極大的威脅，在這樣背景下，學者們從量子力學的不確定這一層面出發，深入地研究了量子秘鑰的分發方案，也為將來的安全工作提供了一個新的思路，在量子力學中，量子具有不可克隆的定理，從目前的大多數的應用情況來看，完美的單光子源并沒有普遍的使用，所有的量子均是通過激光衰減到單光子級別來實現的，而這些經過激光衰減的光子是滿足物理學中的Poisson分布的，但是這種方式在傳播過程中會存在一定的損耗作用，竊聽者就可以利用這一弱電來實施光子數的分離攻擊，因此，隨著研究的深入，我們可以發現只有采用真正的單光子源才能實現安全性的特點。

從目前的應用實際來看，光量子比特是一種非常理想的量子通信載體，相關的理論研究也證明了使用單光子源和線性光學器件是可以進行有效的量子計算的，但是在具體的應用過程中會出現糾纏事件，從而給實際應用帶來較大的困擾，從未來發展的角度來看，發展和探索高品質、高質量、高效率的單光子源是未來發展的迫切需要。

1.2 自組裝半導體量子點

在量子點這一領域的發展過程中，量子點又被人們稱之為人造原子，這主要是量子點的載流子會受到來自于3個維度的束縛，最終形成的形態是和原子的分立能級結構非常相似的，因此，人們也將量子點形象地稱之為人造原子。在實際的工業應用過程中，量子點的制備工藝也是比較廣泛的，但是在實際應用中，自組裝的半導體量子點和化學溶膠量子點、二維點子氣量子點是有著比較大的差別的，自組裝的半導體量子點具有非常優秀的光學性質，而且其譜線是比較窄的，亮度也是非常高的，在具體的實踐過程中具有很強的可塑性，也就是說可以通過外加電壓來調節量子點的帶電形態，還可以通過光學的方法來對自旋量子進行比特方面的操縱，極易形成可以擴展的量子器件，從而為生產實踐提供幫助。

2 ?單光子源在量子信息領域的應用分析

在目前的應用實踐中，二維單原子層材料是單光子源在量子信息領域中的一種非常良好的應用，二維單原子層材料具有比較特殊的光學性質和電學方面的性質，是非常具有潛力的研究內容。從其構成來看，過渡的金屬硫化物也就是TMDC是一種擁有著石墨烯結構的二維材料;從其物理結構上來看，這種二維材料是具有六方晶格結構的，在六方區的頂格部分，存在著兩種能量，我們將之稱之為“谷”，在谷內，電子波的函數是呈現出二分量的形式的，也就是和電子的自旋情況比較相似。在具體的應用實踐過程中，如果單層的二維材料存在著一定的應用缺陷的話，那么該缺陷就會俘獲載流子進而形成局域的激子，這種缺陷同樣可以通過機械剝離和化學氣相沉積這一方式來誘發，而在此條件下所形成的局域激子在光致激發的情況下可以產生可見的光波段的單光子。在具體的應用和測量過程中，我們可以發現二維材料的缺陷是具有非常大的g因子的，其數值高達8.8，也就是說這一數值已經遠遠大于單原子層谷激子和InAs的量子點。和其他類型的單光子源相比，在單光子層基礎上的單光子器件不僅僅有利于光子的讀取和控制，而且在具體的應用實踐過程中可以便利化地制備和實現與其他類型光電器件的融合。舉個例子來說，微納結構諧振腔就可以在具體的應用實踐過程中實現高效光量子的信息處理，顯著地提高信息處理的效率。

3 ?結語

從抽象化的定義上來分析，確定性的單光子源是指在某一個特定的時刻僅僅只產生一個光子的一種新興的量子光源，和傳統的量子光源相比，這種新型的量子光源具有非常強悍的單光子性，在同等條件下可以極大地提升量子通信的安全性和量子計算的準確性，隨著我國學者對該領域的關注和研究，這種確定性的、高效率的、高品質的單光子源必然將會有著優良的應用。但是在未來的應用實踐過程中，依然還有著非常漫長的道路要走，要想在具體的實踐中構建出更加廣闊的量子信息網絡，那么就必須實現不同量子體系之間的相互轉化，在當前的科研水平中，科學家們已經論證了光子的自旋態和偏振態之間是可以實現相互的轉換的，那么在未來的研究領域中，對于單自旋量子態的研究將會是量子領域中非常重要的一個方面，當然，隨著研究的深入我們也必須從不同波段的量子點單光子源入手，使得光纖量子通信、冷原子之間能夠和量子通信領域相互結合，進一步推動量子領域方面的進步與發展。

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