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量子通信的源头——单光子源技术

来源:leyu乐鱼体育   发布时间:2022-09-07 21:28nbsp;  点击量:

本文摘要:日前,我国自律研发的墨子号卫星在酒泉卫星发射中心升空,首次构建卫星与地面之间量子通信连接起来。自此,量子通信这一前沿科技开始步入大众视线。 量子通信中有三项核心技术,分别是单光子源技术、量子编码和传输技术、单光子检测技术。 大量研究早已证明用于单光子源的量子通信是意味著安全性的,并且具备很高的效率。由此可见,理想的单光子源是量子通信的基础,其特性的研究具备很高的价值。

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日前,我国自律研发的墨子号卫星在酒泉卫星发射中心升空,首次构建卫星与地面之间量子通信连接起来。自此,量子通信这一前沿科技开始步入大众视线。  量子通信中有三项核心技术,分别是单光子源技术、量子编码和传输技术、单光子检测技术。

大量研究早已证明用于单光子源的量子通信是意味著安全性的,并且具备很高的效率。由此可见,理想的单光子源是量子通信的基础,其特性的研究具备很高的价值。

  量子通信的信道有光纤信道和自由空间信道两种,无论使用哪种信道展开实验,单光子源的质量都是影响整个通信过程安全性的最重要因素。  基于安全性方面考虑到,为了确保在通信过程中会被光子数分束反击,理想的单光子源应当严苛符合每个脉冲中仅有所含一个光子。然而,现阶段大多数实验所用的光源都是经过反感弱光脉冲波动获得,其光子数遵从泊松产于。这种光源严苛意义上谈是无法构建单光子脉冲的,实际作法是尽可能减少每个脉冲里所含两个以上光子的几率,减少到会对安全性产生影响。

在实际应用于中一般来说把所含两个以上光子的脉冲掌控在5%以下,因此就必需把激光波动到平均值光子数为0.1,也就是说每个脉冲中平均值所含0.1个光子。通信系统中是不存在损耗的,即使脉冲中所含两个以上的光子也很少带给安全隐患,此外由于脉冲大多是不不含光子的空脉冲,因此相当严重减少了密钥分配系统的传输效率,同时也减少了系统的误码率。所以高性能单光子源的研究己经沦为影响量子通信发展的最重要课题之一。目前单光子源方案有以下几种:  (1)强劲波动激光脉冲  用于平均值光子数较小的相干性态来当作单光子数态,在实际应用于中用于半导激光器和光束衰减器来构建,可操作性强劲,在实验中很更容易构建。

  强劲波动激光脉冲的光子数产于为:  那么,可以推算脉冲中所含一个以上光子的概率为  上式在l时近似于结果为/2。其中为脉冲的平均值光子数。为了让脉冲中所含多光子的概率减少,一般值都较小,实验中大多所取=0.1,这就意味著大约5%的非空脉冲所含一个以上的光子。

空脉冲的概率为P=(n=0,)1-,如果本次试验里自由选择较小的平均值光子数刀,那么大部分时间通信链路正处于闲置状态,量子效率很低。若自由选择较小的平均值光子数,那么脉冲中将所含大量的多光子脉冲,监听者就可以通过光子数分束反击提供通信过程的信息而不被通信双方找到。

因此,平均值光子数的自由选择对系统的安全性有相当大影响。  (2)参量下切换单光子源  另外一个研究方向是产生交替的单光子源,典型的例子是自发性参量下切换(PDC)。

PDC过程是根据晶体X*X非线性效应将泵浦光切换为交替的光子。因此观测到一个光子可以似乎第二个光子的不存在。

但是这种双光子对的产生效率很低,在等价的某一模式中,约必须1010个泵浦光子才能产生一个光子对。  PDC的物理过程确保输入的交替光子具备能量和动量上的动量,在必要条件下,一旦空闲光子被观测到就可以精确定位它的同胞光子(信号光子),这是PDC光源比起其他光源较为良好的地方。

  因为泵浦光子切换为成对光子是随机过程,对于黯淡的激光光源,这是一个相当严重的问题,成对光子的产生也是随机的,因此无法确保每次有且仅有一个光子对产生。多路技术和存储方案为解决问题这一问题带给了曙光,这两种方案具备完全相同的原理,由于产生成对光子的概率很低,一旦光子被观测到,就把它的同胞光子存储一起,在随后的时间内以高效率的方式升空光子。

总的发射率增加了,但是在规定的时间内产生有且仅有一个光子的速率提升了。  (3)量子点单光子源  用于量子点可以平稳地收到单个光子流,每个光子可由光谱过滤器分离出来。与其它单光子源比起,量子点单光子源具备低的振子强度,较宽的谱线宽度,且会再次发生光退色。目前的半导体基本上可以覆盖面积从红外线到红外波段。

  量子点单光子源的研究仍然很活跃。2001年Stanford大学的科研人员在GaAs衬底上长出有一层闪烁波长为877nm的InGaAs量子点,通过激光器升空把激光升空到量子点的台面上。结果表明,在激光脉冲的起到下产生的激子转入一个量子点后,量子点吸取一个光子后再行吸取第二个光子的可能性大大降低,这使产生鼓吹聚束光子流沦为有可能。Toshiba-Cambridge大学的欧洲牵头研究小组在2002年使用量子点结构的LED构建了电流经单光子升空。

2005年他们顺利利用量子点生产出有波长在1.3m通讯波段的单光子光源。2007年,我国中科院半导体研究所超强晶格国家重点实验室涉及研究人员顺利构建了量子点的单光子升空:8K温度下脉冲激光唤起InAs单量子点,可以观测到932nm的单光子升空,升空速率小于10kHz。

但是,这一领域依然有很多难题必须解决问题,比如尺寸、形状的皆一性掌控,光谱的单色掌控,以及对低温的拒绝等。  (4)纳米天线单光子源  基于SPP共振效应的纳米天线结构可以有效地搜集光能量,并将其容许在亚波长尺度,其极大的局域场强化效应为纳米光子学获取了辽阔的应用于前景。

  目前,每个脉冲产生一个光子的器件己经研制成功,问题是怎样将产生的光子沿某一特定的方向高效率地升空过来。光子晶体、介质球、光学微腔结构、金属表面等都可以转变光场方向,而共振光学天线对光场的转变更加局限化。它可以将入射光场有效地容许在亚波长区域,也可使纳米尺度的小颗粒辐射强度明显强化,同时转变电磁辐射方向。

实验证明,天线的等离子模式徵到附近分子电子光子的频率附近时会产生共振,闪烁分子与天线产生充足强劲的耦合,这样就可以掌控闪烁方向。VanHulst小组将宽为80nm的铝制单耦天线相似一个荧光分子,通过转变天线与光的耦合方式,分子收到的光可以被调整90。R.Esteban小组于2009年讲解了一种金属等离子电线产生单光子唤起的方案,该方案是在等离子腔中利用金属光学共振原理和避雷针尖端放电理论明确提出的,并且得出了数值仿真结果。

随着表面等离子体的发展,我们坚信纳米天线单光子源一定会从理论南北应用于。


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