單光子源研究進展分析

摘 要：隨著量子信息技術的不斷進步，具有量子效應的單光子在信息處理、信息探測中扮演著重要角色。本文主要介紹了激光衰減，基于原子、量子點等的按需單光子制備是最常見幾種獲取單光子源的方法。目前，針對單光子源的研究已經取得重大進展，多個研究組成功實現了常溫下工作、高效率、高不可分辨率的單光子源。

關鍵詞：單光子;激光衰減;需求單光子源;量子點

1 緒論

20世紀初，光是由光子組成的假設被提出。一百年后，光子已經成為量子信息科學研究的重要粒子。

量子信息技術出現之后，隨著量子通信、量子計算、高精度檢測等量子信息處理技術的快速發展，量子光源在高新技術的研究中起著來越重要的作用。其中，單光子的獲取逐漸成為國內外科研熱點之一。

2 單光子激光器發展狀況

理想的單光子源在每個激發脈沖僅僅發射一個光子，這是一種光子反聚束現象。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刻發射單個光子，使得發射單光子的概率為1;（2）一旦發射光子，每個光子在理想量子通道的效率具有統一性;（3）發出的每個光子應該是無法區分的，具有全同性。[1]

但是在實際工程中，單光子源的使用效果并不令人滿意，大量的實驗室都是使用準單光子源，即是利用激光衰減的方法得到單光子，而備受市場期待的按需單光子源大多僅存在于實驗室研究階段，離大范圍商用仍然有一段距離。不可否認，單光子源的發展迅速，世界上很多國家均已報道過單光子源方面的重大研究成果，量子點單光子源、原子單光子源等按需單光子源制備上均取得較大進步。

3 單光子源國內外發展現狀

3.1 激光衰減單光子源

激光衰減單光子源是當前研究機構常用的單光子源產生手段。這種方法易于操作且便于實現，通過對單模激光器產生的單模激光脈沖進行一定倍率的衰減，直到單個脈沖中所包含的平均光子數小于0.1。[2]

在對微弱光的檢測中，單光子起著重要的作用。紫外單光子成像系統[3]在極其微小的檢測成像中扮演著重要的角色。該系統中汞燈發出的光在多層減光片的作用產生了光強極弱的紫外單光子流，然后通過光電轉換和電子倍增，最后利用高速采集卡實現采集輸出波形，通過計算機對圖像進行處理得到了最后為弱光探測結果。

通過激光衰減過后的單光子具有明顯的量子效應，但是存在能量損耗大、單光子數較少、產生多光子和零光子、效率低下等問題。

隨著量子通信加密和線性光量子計算地深入研究，通過衰減法得到的單光子已經不能滿足實驗需求，人們迫切需要更完美的單光子源，這驅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人們需要，在任意時間產生單光子源。目前，產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、量子點單光子源等。

這些方法和使用材料雖然不同，但是大多數都是基于相同的原理，類似于產生激光的兩能級結構的共振熒光過程，這與產生激光的受激輻射過程有所區別。共振熒光特性是指的單個原子吸收特征輻射后成為激發態原子，原子最外層的電子躍遷到較高的能級上，然后躍遷到較低能級或者基態上，在此過程中電子發射出與原子激發光波波長相同的熒光。

3.2.1 原子單光子源

利用單個原子的共振熒光特性可以實現原子單光源的制備。20世紀70年代，美國的Kimbl[4]在實驗室中第一次發現了原子的共振熒光特性。隨后，21世紀初人們利用在光學腔中銫原子得到了單光子源。實驗將一個銫原子耦合到一個光學腔中，并用一束激光進行照射。銫原子在這個進行共振熒光的過程中發射出光子，在外界的激光的作用下使得單光子源源不斷的產生。

此外，在實驗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腔中在波長780nm單光子的產生效率為56%，單光子的輸出效率高達89%，這一實驗結果很接近完美的單光子。

即使這樣，原子單光子源產生的單光子在應用上仍然存在較大問題，比如產生的光子波長不在通信波段內，溫度要求嚴格。

3.2.2 量子點單光子源

20世紀90年代，人們發現了量子點具有光子聚束效應且能發射單光子。目前大量實驗研究表明，量子點單光子源具有較高的振子強度、較窄的譜線寬度且不會發生光褪色。因此，基于量子點的單光子源被稱為最完美的單光子源。

2014年，美國密歇根大學的研究組得到了可以在室溫下工作的InAs/GaAs量子點單光子源，并最終測得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現偏振單光子，實驗得到微柱（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）。該項試驗同時提高了不可分辨性和系統效率，為人們找到完美單光子源提供了最有價值的途徑。

4 總結與展望

隨著量子領域研究的不斷深入，單光子源不僅在量子通信加密、量子計算領域中起著重要作用，在生物醫學成像、精密儀器測量等領域中發揮著極其重要的作用。

目前，國內外大量研究組正在對單光子光源進行如火如荼的研究，并致力于得到完美的單光子源。隨著科學研究的深入，單光子應用難的問題一定會得到解決。

參考文獻：

[1]張革.常溫單光子源的制備與測試[D].北京交通大學，2015.

[2]張曉峰，朱俊，曾貴華.量子光源綜述[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2011，31（02）：83-93.

[3]張興華，趙寶升，繆震華，朱香平，劉永安，鄒瑋.紫外單光子成像系統的研究[J].物理學報，2008（07）：4238-4243.

[4]許凱麗.基于摻鉺光纖單光子源的研究[D].聊城大學，2017.

作者簡介：張哲（1999-），男，漢族，重慶人，本科，量子光學、激光。