单光子，为何是量子科技的“源头”？

发布时间：2023-06-03 11:29:24 所属栏目：外闻来源：

导读：我们对量子信息的兴趣出现在20世纪90年代和21世纪。在该领域的进一步发展过程中，传统的单光子已经成为各种不同类型相互作用量子计算机硬件的必要核心技术构件。

在量子技术的背景下，单光子的产生和操纵也已经成

我们对量子信息的兴趣出现在20世纪90年代和21世纪。在该领域的进一步发展过程中，传统的单光子已经成为各种不同类型相互作用量子计算机硬件的必要核心技术构件。

在量子技术的背景下，单光子的产生和操纵也已经成为量子通信和量子计算等应用的关键因素，也是量子计量学、生物学和探究量子物理学基础的实验的关键因素。5月26日，发表在Nature Reviews Physics的一篇文章概述了单光子源的定义和特征，在该领域的多年的发展过程中，高性能的单光子已经成为越来越多不同类型计算机量子控制系统硬件的必要不可或缺的构件。

最简单的定义是，光子是最小的、离散的电磁辐射；或者，正如阿尔伯特·爱因斯坦在1905年所介绍的那样，光子是光的量子。光子是无质量的玻色子，与任何量子物体一样，它们同时具有粒子和波的特性。根据不同的实验条件，人们既可以探测光子的粒子行为，也可以探测光子的波状行为，但要记住，这两者总是存在的。对于粒子性质，人们可以使用福克态形式主义，其中模式（麦克斯韦方程的解决方案）的占用被量化为光子数量算子的特征值H ̂。然后，单个光子就是特征值为N=1的模式的状态。

对于波的性质，采用的是时空光子波函数形式主义来描述。在20世纪60年代，Glauber通过为解释激光、黑体辐射和单光子源（SPS）的光子统计奠定基础，统一了现在被称为量子光学的学科。Glauber的形式主义通过一阶相关函数φE(x,t)来描述光子的行为。在这个形式主义中，人们定义了单个光子的波函数，它再次服从麦克斯韦方程。

量子光学。a）g(2)/Hanbury Brown and Twiss实验的测量：g(2)函数（即强度自相关函数）参数与分光器（R，反射；T，透射）输出端的两个探测器中同时出现的点击次数成正比；当一个时间t只有一个光子时，当输出端的时间延迟τ为零时，同时出现的点击次数为零；I是经典的光强度，n是以光子数量计算的量子等效光强度。b）Hong-Ou-Mandel效应可用于表征光子的可辨别性。它测量的是当一个光子通过每个输入端口进入时，分光器输出端的重合点击。当光子具有相同的状态（模式）并在同一时间到达分光器时，它们是不可区分的，并且重合的点击次数为零。

不同的应用对所使用的光子的特性有不同的要求。我们应该强调，在某些情况下，人们可以使用弱相干态作为单光子的近似值。弱相干态是强衰减的激光束，但它保留了它们的统计特性，特别是g(2)(τ)=1，因此不属于SPS的范畴。不过，对于所有的应用来说，一个不变的事实是，一个光子源可以提供零、一个或多个光子；多于一个光子的情况对本评论和参考文献中描述的所有应用都是不利的。

至少有三种产生单光子的方法。

第一种是使用一个发射器，在这个发射器中，我们可以识别并分离出两个能级，在发射时提供单光子。

第二种是使用一个“预示SPS(heralded SPS)”，在这里，通过自发参量转换(SPDC)的机制，人们在两个空间上分开的模式中同时产生一对光子；在一个地方检测到其中一个光子（触发光子，trigger photon），预示着另一个光子将在很短的时间窗内出现在另一条路径上（预示光子，heralded photon

第三种是使用一个极其非线性的过滤器，通常称为“光子阻塞(photon blockade)”。在这里，人们将一束弱的激光送入一个只能传输单光子，而不能传输成对或高阶状态的介质——该介质可以是一个嵌入量子发射器的腔体。如果空腔的双光子状态与传入的场不发生共振，则只有传入的双光子状态的单光子部分被传输。

单光子源。a）两级系统：产生光子的一个可能的方法包括激发两级系统，并等待它正好发射一个光子而衰减。b）预示单光子源的原理。一个“红色”光子的非线性晶体源被一个紫外脉冲激光器泵浦。在较低的泵浦功率下，晶体发射的大部分是空对脉冲，其中有一小部分（µ）是单对，更小部分（µ2）是双对。通过预视探测器的检测，使用快速开关对单光子脉冲进行门控。这个随机的脉冲序列会因暗计数产生的假触发器和高阶项而略有退化，后者可以通过降低μ来减少。

我们可以将SPS分为两个主要类别：“自然”类别和“工程”类别。自然类利用自然界给予我们的单原子或单分子制成；“工程”类涉及来自半导体、高带隙材料和0D、1D到2D材料的固态光源（如通过物理方法生长的半导体量子点）和胶体纳米晶体（通过化学方法生长），也包括金刚石基质中的色心和2D材料的“缺陷”。

有预示的和无预示的SPS之间有很大区别。预示的SPS通常是由SPDC获得的，它遵循热统计学发生，这意味着对于获得一对光子的给定概率（从而在一个臂中获得一个预示的光子），总有一个非零概率获得两对光子（或更多）。因此，这种SPS的生成率总是有限的：因为人们需要在低激励水平下工作。多路复用可以规避这个问题，但代价是一个更复杂的系统。

单光子探测器(SPD)是一种高灵敏度的光电探测器，可以探测单个光子。它可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，在光量子信息技术、人眼安全激光雷达、光子源表征等领域有着广泛的应用。目前，我国已成为全球最大的量子产业化国家，在量子芯片、量子计算机、量子通讯等方面取得了一系列重大突破。

（编辑：汽车网）

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