单光子源研究进展分析

摘要：随着量子信息技术的不断进步，具有量子效应的单光子在信息处理、信息探测中扮演着重要角色。本文主要介绍了激光衰减，基于原子、量子点等的按需单光子制备是最常见几种获取单光子源的方法。目前，针对单光子源的研究已经取得重大进展，多个研究组成功实现了常温下工作、高效率、高不可分辨率的单光子源。

关键词：单光子;激光衰减;需求单光子源;量子点

1.绪论

20世纪初，光是由光子组成的假设被提出。一百年后，光子已经成为量子信息科学研究的重要粒子。

量子信息技术出现之后，随着量子通信、量子计算、高精度检测等量子信息处理技术的快速发展，量子光源在高新技术的研究中起着来越重要的作用。其中，单光子的获取逐渐成为国内外科研热点之一。

2.单光子激光器发展状况

理想的单光子源在每个激发脉冲仅仅发射一个光子，这是一种光子反聚束现象。理想的单光子源需要满足以下条件：（1）按照使用者需要在任意时刻发射单个光子，使得发射单光子的概率为1;（2）一旦发射光子，每个光子在理想量子通道的效率具有统一性;（3）发出的每个光子应该是无法区分的，具有全同性。[1]

但是在实际工程中，单光子源的使用效果并不令人满意，大量的实验室都是使用准单光子源，即是利用激光衰减的方法得到单光子，而备受市场期待的按需单光子源大多仅存在于实验室研究阶段，离大范围商用仍然有一段距离。不可否认，单光子源的发展迅速，世界上很多国家均已报道过单光子源方面的重大研究成果，量子点单光子源、原子单光子源等按需单光子源制备上均取得较大进步。

3.单光子源国内外发展现状

3.1 激光衰减单光子源

激光衰减单光子源是当前研究机构常用的单光子源产生手段。这种方法易于操作且便于实现，通过对单模激光器产生的单模激光脉冲进行一定倍率的衰减，直到单个脉冲中所包含的平均光子数小于0.1。

在对微弱光的检测中，单光子起着重要的作用。紫外单光子成像系统[3]在极其微小的检测成像中扮演着重要的角色。该系统中汞灯发出的光在多层减光片的作用產生了光强极弱的紫外单光子流，然后通过光电转换和电子倍增，最后利用高速采集卡实现采集输出波形，通过计算机对图像进行处理得到了最后为弱光探测结果。

通过激光衰减过后的单光子具有明显的量子效应，但是存在能量损耗大、单光子数较少、产生多光子和零光子、效率低下等问题。

随着量子通信加密和线性光量子计算地深入研究，通过衰减法得到的单光子已经不能满足实验需求，人们迫切需要更完美的单光子源，这驱使着人们研究以按需单光子源为代表的单光子源获取方法。

3.2 按需单光子源

按需单光子源是指根据人们需要，在任意时间产生单光子源。目前，产生按需单光子源的方法很多，包括原子单光子源、分子单光子源、量子点单光子源等。

这些方法和使用材料虽然不同，但是大多数都是基于相同的原理，类似于产生激光的两能级结构的共振荧光过程，这与产生激光的受激辐射过程有所区别。共振荧光特性是指的单个原子吸收特征辐射后成为激发态原子，原子最外层的电子跃迁到较高的能级上，然后跃迁到较低能级或者基态上，在此过程中电子发射出与原子激发光波波长相同的荧光。

3.2.1 原子单光子源

利用单个原子的共振荧光特性可以实现原子单光源的制备。20世纪70年代，美国的Kimbl[4]在实验室中第一次发现了原子的共振荧光特性。随后，21世纪初人们利用在光学腔中铯原子得到了单光子源。实验将一个铯原子耦合到一个光学腔中，并用一束激光进行照射。铯原子在这个进行共振荧光的过程中发射出光子，在外界的激光的作用下使得单光子源源不断的产生。

此外，在实验室中利用铷原子也可以得到单光子源，Bochmann研究组将铷原子控制在精密的光学腔中在波长780nm单光子的产生效率为56%，单光子的输出效率高达89%，这一实验结果很接近完美的单光子。

即使这样，原子单光子源产生的单光子在应用上仍然存在较大问题，比如产生的光子波长不在通信波段内，温度要求严格。

3.2.2 量子点单光子源

20世纪90年代，人们发现了量子点具有光子聚束效应且能发射单光子。目前大量实验研究表明，量子点单光子源具有较高的振子强度、较窄的谱线宽度且不会发生光褪色。因此，基于量子点的单光子源被称为最完美的单光子源。

2014年，美国密歇根大学的研究组得到了可以在室温下工作的InAs/GaAs量子点单光子源，并最终测得g（2）（0）=0.29。

为了追求完美的单光子源，2019年潘建伟、陆朝阳研究组首次在椭圆微柱和椭圆布拉格光栅两种极化椭圆微腔实现偏振单光子，实验得到微柱（布拉格光栅）不可分辨率0.975±0.006（0951±0.005），偏振单光子效率为0.60±0.02（0.56±0.02）。该项试验同时提高了不可分辨性和系统效率，为人们找到完美单光子源提供了最有价值的途径。

4.总结与展望

随着量子领域研究的不断深入，单光子源不仅在量子通信加密、量子计算领域中起着重要作用，在生物医学成像、精密仪器测量等领域中发挥着极其重要的作用。

目前，国内外大量研究组正在对单光子光源进行如火如荼的研究，并致力于得到完美的单光子源。随着科学研究的深入，单光子应用难的问题一定会得到解决。