单光子源报告

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1、单光子源1・单光子源简介单光子态是不同于传统相干光源的一种新型量子态。随着单光子技术的发展,高效稳定、具有高度不可分辨性的单光子源将会在量子信息和量子计算等领域得到应用和发展。单光子源是在一个时刻只发出一个光子的光源。普通的热光源和激光都是由大量原子发光，因此从光子数的分布来看，激光呈现泊松分布，Pn二(Se_A)/n!,其中Pn表示在任一时刻探测到n个光子的概率，4表示光场的平均光子数。当平均光子数卩接近于0的时候，双光子的概率P2〜卩2/2随着卩呈平方关系减小。许多科学实验中通过衰减激光，使到达的每一个激光脉冲的平场光子数远小于1,从而减小

2、多光子的概率来获得准单光子源，这种准单光子源在任意一个吋刻探测到两个以及两个以上光子的概率都不为0。理想的单光子源应是在每一个外部触发下有且仅有一个光子发出，Pl=1,Pn>2=0o实验中的量子密钥分配一般通过衰减的激光作为传输光源，又称贋单光子源，蜃单光子源不是严格的单光子源，会存在多光子的产生概率，由于多光子态中有多个光子被编码成相同的信息，窃听者可在分离这些多光子态中的部分光子而不破坏其它的光子的情况下进行窃听。虽然，2005年Lo等人提出了诱骗态编码的量子密钥分配方案，可以有效防止光子数分裂攻击。但是相对于丿赁单子源来说，真正的单光子源

3、在防止光子数分离攻击方面更加直接有效。2.为什么要产生和探测单光子？单光子源的应用2.1量子信息和量子计算等领域：(1)量子计算机量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，量子并行计算。从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算，普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算(如果集合中只有一个元素，量子计算与经典计算没有区别)。以函数y=f(x),xeA为例。量子计算的输入参数是定义域A

4、,—步到位得到输出值域B,即B二f(A)；经典计算的输入参数是x,得到输出值y,要多次计算才能得到值域B,即y二f(x),xWA,yEBo基于线性光学和单光子探测技术的线性光学量子计算方案，是实现量子计算的重要途径之一。由于光子具有与环境耦合弱，退相干小，光子态易于编码等特点，实验中的光学量子计算方案，一般利用光子与光子在光学器件上的干涉来实现CNOTn等基木的量子门，这要求光子的确定性要好，光子的不可分辨性要高。确定性、高不可分辨的单光子源是实现线性光学量子计算的基础。(但是量子计算机有一个待解决的问题，即输出值域B只能随机取出一个有效值y。

5、虽然通过将不希望的输出导向空集的方法，已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素，但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。)(2)量子秘钥分发基于单光子极化信息的量子密钥分配方案，是目前量子信息中广泛研究的一个方向。基于单光子极化态的BB84量子密钥分配方案中，单光子的极化方向可以被制备成水平极化

6、HQ,垂直极化

7、V□,正45。极化

8、+□，负45。极化!-□,其中水平，垂直极化构成一对测量基矢，正负45。极化构成另一对测量基矢。密钥发送方选择一串随机数作为密钥信息，并将其中的每一个数通过随机选择一对测量基矢进行编码，Z后将编码后的单光子极化态发

9、送给密钥接收方,密钥接收方对于接收到的每一个光子随机选择一对测量基矢进行测量。由于

10、HD,

11、V□极化在!+□,!-□基矢测量中都有50%的概率投影到

12、+口或是!-□极化上，反之!+□,!-□极化也会有50%的概率投影到

13、HQ,

14、V□极化上，因此只有密钥接收方的测量基矢与密钥发送方相同时，发送的光子极化态才可能被完全确定。实验屮，密钥发送方和接收方的基矢选择都是随机的。一般通过比对测量基矢后，选择基矢相同情况下测量到的量子态信息作为原始密钥。如果密钥发送过程中存在窃听者，窃听行为会破坏单光子态，使得接收方测量到的信息错误率增加，窃听者的行为因此会

15、暴露。(1)量子中继器长距离的量子密钥分发还需要量子屮继器，因为单光子在长距离的传输过程中，光子态会受到环境的影响而改变，这样就改变了单光子原本携带的信息。然而这种光子态的退化乂无法通过传统的放大器进行弥补。研究人员想到了研制基于量子效应的中继器，这也在很大程度上依赖单光子源。2.2其他领域(1)真正随机数的生成一个单光子在经过一个分束器时，将表现出其固有的量子不可测性，它会随机的选择出射路径，要想检测光子从那条路径岀射则需要单光子探测器。(2)生物体发光探测、DNA排序、用来研究蛋白质折叠的Forster共振能量转移(FRET)、光时域反射仪

16、、皮秒成像电路分析、单分子光谱学、荧光寿命测量、扩散光层析成像、正电子发射层析成像等。以上这些应用大大促进了单光子源和单光子探测器的研究发展。3.单光