单光子源和单光子探测器研究进展

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1、万方数据第23卷第6期2006年11月量子电子学报CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSVbl．23NO．6Nov．2006文章编号：1007-5461(2006)06-0766—06单光子源和单光子探测器研究进展李健军，郑小兵，冯渝一．．·(中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031)摘要：在众多的量子信息方案中，光学方法是独特的，因为它们允许长距离的通信且提供量子计算新的方法。在光量子信息处理过程中，单光子源和探测器是很重要的一个方面。本文回顾了测量和产生单光子的方法，且讨论了它们在量子信息处理中的应用。关键词：量子光学；量子信

2、息；单光子源；单光子探测器中图分类号：0431．2；TN206文献标识码：A1引言认识一般的量子力学现象是非常重要的，它对于当前迫切需要解决的技术领域有巨大的推动作用，因为光量子在量子力学实验中扮演一个重要角色．许多量子信息处理的对象适应于光学(如量子密码【1】和量子计量L21)，其它的可能与光学有关的分支(例如分布式的量子计算[4】)。还有目前正在兴起的可测量的线性光学量子计算(LOQC)技术[4l。对于这些应用的潜在方面，许多光子学技术是必要的，包括高保真度的单光子源和离效率的光子计数探测器，它们都工作在可见和通信波长，虽然它们仍然还没有达到LOQC的要求，但是目前正致

3、力于这方面的发展工作，现阶段它们已不仅用于量子力学实验。而且还可用于许多“相邻”技术领域，例如生物医学和天文学成像领域以及低功率经典通信领域。这里我们首先描述了许多接近于理想的单光子光源，随后我们回顾了探测单光子的方法。2单光子源基于目前对量子密码学、量子通信和量子计算的研究，人们迫切需要解决单光子源问题。理想情况下，一个单光子源可以产生完全理想的单光子。但目前所设计的光源都没有达到理想的程度，这与设计的精度和复杂度有一定的关系。一般情况下单光子源归为两类：孤立的量子系统和两个光子发射器。第一类是一个孤立的量子系统每次激发时仅仅发射一个光子。方法是使得该系统获得有效的激励，

4、较高的输出收集效率和极好的孤立性。第二类是所使用光源一次能够发出两个光子，这里一个光子的探测暗示第二个光子的存在。用这种方法可以对第二个光子进行操作和发送。2．1量子点单光子源一个量子点需要一个容易隔离的人造原子，所以它作为单光子源首要选择。单光子是通过单一的自组织半导体量子点脉冲激发和光谱滤波[5]混合实现的。量子点既可以采用短的激光脉冲激发(例如3ps)，也可以采用电脉冲来激发。对于激光脉冲来说，当调节激光频率到点的受限能级之间的共振跃迁时，在点的内部形成电子空穴对；当调节激光频率超出半导体带隙时，在半导体矩阵周围形成电子空穴对，此时载流子会在点的周围扩散开来，跃迁到最

5、低的受限能级。产生的载流子在辐射层中重新复合，导致每个激光脉冲有几个光子形成，由于载流子之间的库仑力作用，所有这些光子有稍微不同的频率，对于每个脉冲最后发出的光子有唯一的频率，可以采用滤波方法提取出来。如果量子点在大半导体材料中生长，输出的耦合频率是很差的，因为绝大部分发出的光子在半导体层损耗。为了增加效率，可以在点周围制作一个光学微腔。由于自发发射率的增加，半导体量子点发出的光基金项目：国家自然科学基金资助项目(60378027)收稿日期：2005—08—29；修改日期：2005—10—12E-mail：jjli@aiofm．a,c．cn万方数据第6期李健军等：单光子源和

6、单光子探测器研究进展767脉冲的周期也相应减少了，这个增量就是著名的珀塞尔因子，它正比于模的质量因子与模的体积因子的比率。而且自发辐射具有定向性；进入精密成形腔模的发射光子更容易耦合进随后的光学系统中。通过在微型腔内(品质因子Q约为1300，珀塞尔因子大约为5)植入In—GaAs／GaAs量子点[6]，单光子源的特性得以提高；见图1。与具有同样平均光子速率的泊松分布光源比较(例如一个衰减的激光器)：量子点光源形成两个光子的概率(根据零相关参数估计得到)可能低于2％，单光子脉冲周期低于200ps，且该光源发出全同光子(不可区分性)，它已经被Hong-Qu—Mandel两个光子

7、干涉实验所证明【引。这样的光源可以用来认识BB84QKD协议。但是这些光源仍然面临着极大的挑战。它们需要低温制冷(<10K)，Fig．1(a)ScanningelectronmicrographshowingafabricatedarrayofGaAs／A1Asmicroposts(b)ElectricfieldmagnitudeofthefundamentalHEllmodeinamicropostmicrocavitywitharealisticwallprofile(C)Photoncorrelationhi