量子光源综述

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1、量子光源综述张晓峰朱俊曾贵华（上海交通大学电子工程系，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240）摘要：量子密码通信是最近二十多年发展起来的一种新型通信技术，它利用量子特性来实现或增强通信的安全性。量子密码通信系统基于光量子信号的传输特性，因此如何获得稳定可靠的量子光源就成为实现量子密码通信的主要问题。文章介绍了量子通信中已有的几种光源（单光子光源、连续变量光源、纠缠态光源）的原理和相关实验，最后介绍了量子光源的应用，并对其前景进行了展望。关键词：量子密码通信；单光子光源；连续变量光源；纠缠态1.引言2.1单光子光源自从利用量

2、子效应保护信息的思想被提出作为一种基本粒子，光子具有不可分离性，之后，量子密码学逐渐受到重视，并获得迅速因此任何攻击者都不能从光子承载的量子信号的发展。这主要是因为量子密码本身的特性：中分离出子系统。可见，单光子是一种理想的无条件安全性和对窃听的可检测性，而这些在量子信号载体。然而，由于缺乏理想的单光子经典密码学中是无法实现的。源，目前的量子保密通信实验演示都采用激光量子密码基于光量子信号实现。从技术层面衰减光源。但衰减激光不能消除多光子的存在，来看，量子密码系统主要包括量子信号的产生、无法避免受到光子数分离攻击，最大安全通信存储、编码、调制、控

3、制、传输、检测等几个距离受到极大限制。因此，如何获得一种稳定、方面。光量子信号在量子密码中起着重要的作高效、可靠的单光子源，已经成为量子通信和用，量子信号的编码、传输和检测等技术都依量子密码实用化过程中一个亟待解决的问题。赖于信号的量子特性，因此，如何获得稳定可目前，单光子产生技术主要有以下几种[1]：靠的量子光源就成为实现量子密码系统的主要2.1.1激光衰减方法问题。这是目前科学研究中最常用的单光子产生2.量子光源技术的原理和实验方法，被称为准单光子源。具体的实现方法[2]是：将单模激光器发出的连续激光脉冲化，然目前，量子光源主要有三种：单光子

4、(Single后进行一定倍数的衰减，使得单个脉冲平均光Photon)光源、连续变量(ContinueVariable)光源子数小于0.1[3]。此时的激光脉冲信号具有明显和纠缠态(EntangledState)光源。其中连续变量的量子效应，且接近单光子量子信号的特征。光源又分为相干态(CoherentState)光源和压缩采用这种方法的优点是实验上易于实现和态(SqueezedState)光源；纠缠态又可以分为光子控制，但是存在损失较大、单光子数少、速率对纠缠和多光子纠缠。1低等问题，而且大量零光子脉冲的存在，以及不能得到有效的应用。背景噪声的影

5、响，使得量子信号的检测容易错2.1.3利用单个分子的方法误或者变的困难；另外，由于部分激光脉冲中可能有多个光子，攻击者可通过分束技术获得单分子的能级结构如图2所示，单分子在一有效信息，影响密码系统的安全性。个极短的激光脉冲激励下，会被泵浦到电子激发态S1的一个振动能级上，接着它会快速弛豫2.1.2利用单个原子的方法到S1的最低振动能级上，接着分子会跃迁到基这种方法是利用一个两能级原子的共振荧态的振转能级上，最终会快速弛豫到基态的最光特性来实现的。所谓共振荧光是指：自由原低振动能级[6]。在这个过程中，一个荧光光子会子吸收光源的特征辐射后，原子的外

6、层电子跃被发射出去。如果激励脉冲的持续时间大于或迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能接近分子激发态的寿命，就会产生一个再激发级，同时发射出与原激发光波长相同的荧光。过程，从而产生两个或多个光子。所以，若要1977年，美国的Kimble等人在实验上首次发现形成触发式单分子光子源，就必须保证激光脉了钠原子蒸汽的共振荧光现象[4]。2004年，CIT冲的重复周期远大于分子激发态寿命。的McKeever等人又实现了限制在腔中的Cs原子的单光子发射[5]。实验原理图如下：S1SinglePhotonS0图2脉冲激光激发三能级分子产生单光子此种方法的优点

7、是，即使在室温时单光子的发射效率也很高，但目前的一些实现中存在着材料不太稳定和漂白现象[7]等问题。图1Cs原子的单光子发射原理图针对这些问题，有学者提出了一种简单有效一个Cs原子被耦合在一个光学共振腔的方案[8]。该方案的原理图如图3.a所示。用绿(opticalcavity)中(图1A)，用一串激光脉冲激光短脉冲把一个分子从基单重态泵浦到一个3t、4t照射，其中3t驱动一个在超电子震动激发层，在快速(皮秒级)弛豫到最低电子激发态后，这个分子发射出一个单光子。细微基态之间的“暗态”传输，F=3→4(图1实验使用的三联苯(p-t

8、erphenyl)分子晶体(图B&C)。在这个过程中，由于原子传输过程3.b)，在室温条件下也可以检测出高度稳定的单''(F3→F4