單光子源及在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用分析

鄭宇妮 魏文奇 儲(chǔ)瑞

摘 ? 要：在未來世界的發(fā)展前景中，光量子比特是進(jìn)行量子通信的主要體系之一，單光子源有著穩(wěn)定性較強(qiáng)、效率較高、質(zhì)量較強(qiáng)等方面的特點(diǎn)，是保證量子通信安全性的重要保證。在量子點(diǎn)外我們可以對(duì)其施加電場(chǎng)，將單個(gè)原子囚禁起來，并且對(duì)光量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，那么在這樣的技術(shù)條件下，微注腔耦合的量子點(diǎn)就擁有了物理學(xué)中較強(qiáng)的Purcell效應(yīng)，也就是說在保證單光子和光子全同性的同時(shí)使其工作效率顯著提升，而且其相干性能也是比較卓越的，大規(guī)模的量子計(jì)算也成為了一種可能。在當(dāng)前的科學(xué)研究領(lǐng)域之中，人們偶然在二維單原子層材料中發(fā)現(xiàn)了非經(jīng)典的單光子發(fā)射，這就使得量子光學(xué)領(lǐng)域和二維材料有了融合的可能性，是未來發(fā)展的新的思路。本文立足于實(shí)際，結(jié)合當(dāng)前科學(xué)理論研究的背景，提出了發(fā)展單光子源的意義和重要性，并且分析了單光子源在量子信息領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾釉??量子 ?信息領(lǐng)域 ?應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN918 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（b）-0136-02

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)信息技術(shù)的依賴性逐步加強(qiáng)，在社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)人們對(duì)信息處理的速度要求也隨之增高，在傳統(tǒng)的信息技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的信息技術(shù)主要是依賴單一芯片上的集成晶體管數(shù)量的增加來完成速度的提升的，外國(guó)學(xué)者M(jìn)oore曾經(jīng)指出單一芯片上的集成晶體管的數(shù)目應(yīng)當(dāng)和人類社會(huì)發(fā)展的速度相匹配，也就是可以每隔18個(gè)月翻一番，在這一思想的指導(dǎo)和支配下，傳統(tǒng)的信息技術(shù)有著飛速地發(fā)展，但是在發(fā)展的過程中，晶體管的體積越來越小，甚至可以小到原子的尺度，那么這個(gè)時(shí)候量子隧穿的效應(yīng)可以明顯地顯示出來，所以，傳統(tǒng)的Moore定律也將不會(huì)再起作用。在隨后學(xué)者的研究過程中，量子秘鑰的研發(fā)、平衡函數(shù)的算法、量子隱形傳態(tài)等新的領(lǐng)域的探索和研究使得量子通信和量子計(jì)算在一些信息科學(xué)技術(shù)方面有著其他材料所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這一領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)現(xiàn)使得量子信息越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。

量子比特是量子信息中最基本的一個(gè)單元，而且具有獨(dú)特的性質(zhì)，從物理學(xué)的研究領(lǐng)域來看，量子比特的載體在物理學(xué)中有著各種各樣的系統(tǒng)，其中有核自旋、冷原子、光子等方面的內(nèi)容，其中光量子比特最大的優(yōu)勢(shì)就在于其有著很強(qiáng)的相干性，可以實(shí)現(xiàn)完美的操縱作用，充分地利用光傳播的相關(guān)優(yōu)勢(shì)，是發(fā)展量子通信和量子計(jì)算中的一個(gè)最優(yōu)的選擇，是未來發(fā)展的主要研究方向。

1 ?單光子源的相關(guān)概念分析

1.1 發(fā)展單光子源的意義

在科學(xué)研究發(fā)展進(jìn)程中，傳統(tǒng)的RSA秘鑰的安全性被破解，其安全性受到了極大的威脅，在這樣背景下，學(xué)者們從量子力學(xué)的不確定這一層面出發(fā)，深入地研究了量子秘鑰的分發(fā)方案，也為將來的安全工作提供了一個(gè)新的思路，在量子力學(xué)中，量子具有不可克隆的定理，從目前的大多數(shù)的應(yīng)用情況來看，完美的單光子源并沒有普遍的使用，所有的量子均是通過激光衰減到單光子級(jí)別來實(shí)現(xiàn)的，而這些經(jīng)過激光衰減的光子是滿足物理學(xué)中的Poisson分布的，但是這種方式在傳播過程中會(huì)存在一定的損耗作用，竊聽者就可以利用這一弱電來實(shí)施光子數(shù)的分離攻擊，因此，隨著研究的深入，我們可以發(fā)現(xiàn)只有采用真正的單光子源才能實(shí)現(xiàn)安全性的特點(diǎn)。

從目前的應(yīng)用實(shí)際來看，光量子比特是一種非常理想的量子通信載體，相關(guān)的理論研究也證明了使用單光子源和線性光學(xué)器件是可以進(jìn)行有效的量子計(jì)算的，但是在具體的應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)糾纏事件，從而給實(shí)際應(yīng)用帶來較大的困擾，從未來發(fā)展的角度來看，發(fā)展和探索高品質(zhì)、高質(zhì)量、高效率的單光子源是未來發(fā)展的迫切需要。

1.2 自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)

在量子點(diǎn)這一領(lǐng)域的發(fā)展過程中，量子點(diǎn)又被人們稱之為人造原子，這主要是量子點(diǎn)的載流子會(huì)受到來自于3個(gè)維度的束縛，最終形成的形態(tài)是和原子的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)非常相似的，因此，人們也將量子點(diǎn)形象地稱之為人造原子。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用過程中，量子點(diǎn)的制備工藝也是比較廣泛的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，自組裝的半導(dǎo)體量子點(diǎn)和化學(xué)溶膠量子點(diǎn)、二維點(diǎn)子氣量子點(diǎn)是有著比較大的差別的，自組裝的半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有非常優(yōu)秀的光學(xué)性質(zhì)，而且其譜線是比較窄的，亮度也是非常高的，在具體的實(shí)踐過程中具有很強(qiáng)的可塑性，也就是說可以通過外加電壓來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的帶電形態(tài)，還可以通過光學(xué)的方法來對(duì)自旋量子進(jìn)行比特方面的操縱，極易形成可以擴(kuò)展的量子器件，從而為生產(chǎn)實(shí)踐提供幫助。

2 ?單光子源在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用分析

在目前的應(yīng)用實(shí)踐中，二維單原子層材料是單光子源在量子信息領(lǐng)域中的一種非常良好的應(yīng)用，二維單原子層材料具有比較特殊的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)方面的性質(zhì)，是非常具有潛力的研究?jī)?nèi)容。從其構(gòu)成來看，過渡的金屬硫化物也就是TMDC是一種擁有著石墨烯結(jié)構(gòu)的二維材料;從其物理結(jié)構(gòu)上來看，這種二維材料是具有六方晶格結(jié)構(gòu)的，在六方區(qū)的頂格部分，存在著兩種能量，我們將之稱之為“谷”，在谷內(nèi)，電子波的函數(shù)是呈現(xiàn)出二分量的形式的，也就是和電子的自旋情況比較相似。在具體的應(yīng)用實(shí)踐過程中，如果單層的二維材料存在著一定的應(yīng)用缺陷的話，那么該缺陷就會(huì)俘獲載流子進(jìn)而形成局域的激子，這種缺陷同樣可以通過機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積這一方式來誘發(fā)，而在此條件下所形成的局域激子在光致激發(fā)的情況下可以產(chǎn)生可見的光波段的單光子。在具體的應(yīng)用和測(cè)量過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)二維材料的缺陷是具有非常大的g因子的，其數(shù)值高達(dá)8.8，也就是說這一數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單原子層谷激子和InAs的量子點(diǎn)。和其他類型的單光子源相比，在單光子層基礎(chǔ)上的單光子器件不僅僅有利于光子的讀取和控制，而且在具體的應(yīng)用實(shí)踐過程中可以便利化地制備和實(shí)現(xiàn)與其他類型光電器件的融合。舉個(gè)例子來說，微納結(jié)構(gòu)諧振腔就可以在具體的應(yīng)用實(shí)踐過程中實(shí)現(xiàn)高效光量子的信息處理，顯著地提高信息處理的效率。

3 ?結(jié)語

從抽象化的定義上來分析，確定性的單光子源是指在某一個(gè)特定的時(shí)刻僅僅只產(chǎn)生一個(gè)光子的一種新興的量子光源，和傳統(tǒng)的量子光源相比，這種新型的量子光源具有非常強(qiáng)悍的單光子性，在同等條件下可以極大地提升量子通信的安全性和量子計(jì)算的準(zhǔn)確性，隨著我國(guó)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)注和研究，這種確定性的、高效率的、高品質(zhì)的單光子源必然將會(huì)有著優(yōu)良的應(yīng)用。但是在未來的應(yīng)用實(shí)踐過程中，依然還有著非常漫長(zhǎng)的道路要走，要想在具體的實(shí)踐中構(gòu)建出更加廣闊的量子信息網(wǎng)絡(luò)，那么就必須實(shí)現(xiàn)不同量子體系之間的相互轉(zhuǎn)化，在當(dāng)前的科研水平中，科學(xué)家們已經(jīng)論證了光子的自旋態(tài)和偏振態(tài)之間是可以實(shí)現(xiàn)相互的轉(zhuǎn)換的，那么在未來的研究領(lǐng)域中，對(duì)于單自旋量子態(tài)的研究將會(huì)是量子領(lǐng)域中非常重要的一個(gè)方面，當(dāng)然，隨著研究的深入我們也必須從不同波段的量子點(diǎn)單光子源入手，使得光纖量子通信、冷原子之間能夠和量子通信領(lǐng)域相互結(jié)合，進(jìn)一步推動(dòng)量子領(lǐng)域方面的進(jìn)步與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪文強(qiáng)，薛夢(mèng)馳，劉選斌，等.量子保密通信器件發(fā)展概述[J].現(xiàn)代傳輸，2018（1）：64-67.

[2] 何業(yè)鋒，宋暢，李東琪，等.基于指示單光子源的非對(duì)稱信道量子密鑰分配[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（3）：422-429.

[3] 許凱麗，劉山亮，孟倩.基于摻鉺光纖的單光子源[J].光通信技術(shù)，2016，40（11）：60-62.

[4] 吳先濤，吳承治，張中奇，等.量子通信系統(tǒng)的光器件特性及內(nèi)部接口[J].現(xiàn)代傳輸，2016（4）：69-79.

[5] 高楓.網(wǎng)絡(luò)化量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2016.