光量子通信中的單光子源技術分析

付帥奇?陳紫暢?徐穎?肖訓維

摘要：近年來，光量子通信技術以爆炸式的增長速度發展，并推動了對各種新型高能單光子源技術的深入研究。在大規模光量子通信領域中，使用單光子源作為傳輸數據的載體已成為實現絕對穩定高速量子數據傳輸的理想選擇。單光子源技術作為當前通信系統裝置網絡架構中的關鍵組件，具有重要意義。各種基于單光子源系統的技術方案也在被詳細討論和分析。研究結論表明，單光子源技術已經較為成熟，且具有深遠持久的前景和發展空間。

關鍵詞：光量子通信；單光子源技術

隨著現代量子云計算、量子密碼學理論和量子網絡通信等一系列量子信息處理技術的快速發展，新型穩定、高效、可靠的單光子源技術成為其中最關鍵的技術之一。在量子信息技術出現后，迫切需要發展一種更先進、可靠的量子單光子源技術。這種技術的關鍵在于確保每個光子觸發器中至少有一個發出的光子。然而，由于目前技術條件的某些限制，這種近乎理想形態的單個光子源已無法實現，人們只能依靠不斷研究、探索和改進，以達到盡可能更接近理想形狀的單個光子源。因此，人們只能通過持續的研究、探索和改進來盡可能接近理想的單個光子源。近年來，在現代光量子通信技術的飛速發展下，各種有關單光子源理論的新方法不斷涌現。量子通信為信息傳輸提供了全新的方式，因此，在軍事、外交和商業等領域都具有廣闊的應用前景[1]。

一、單光子源相關概念分析

（一）發展單光子源的意義

在我國科研及開發過程中，傳統的RSA密鑰系統也逐漸出現一些劣勢，主要原因是在黑客攻擊的威脅下，工作安全性降低，并且相關數據容易受到波及。因此，研究量子密鑰逐漸成為重要的議題，可以保護數據的安全性。然而，從目前量子研究可以看出，并不存在真正完美的量子單光子源。通常使用的單光子源是通過激光衰減的方式獲得的，這種方式能夠提供滿足量子物理方程分布的光子，對于單光子源技術的發展起到支持作用。但是在光子的傳播過程中，可能會伴隨能量損耗的現象。因此，在對光子的研究過程中，需要尋找真正完整的單光子源，以滿足安全性的要求。單光子源技術已經是當前較為廣泛使用的一種通信載體，尤其在光量子通信領域中。然而，在開發過程中常常會遇到大量的糾纏事件，這些糾纏事件會給實際計算應用帶來許多問題。為了解決存在的問題，需要不斷探索高質量、高品質、高效的單光子源技術。只有這樣，才能滿足實際應用的需求。

（二）自組裝半導體量子點

在單光子源領域的發展過程中，加強對自組裝半導體量子點的研究至關重要。量子點技術通常被稱為人造原子的一種類型，通過某種三維結構的鍵合方式將載流子在量子點之間連接起來，使得量子點的表面形態與普通原子結構完全分離，并且能級結構也呈現出類似的特點。在半導體材料的研制和工業實際應用過程中，制備量子點具有廣泛的特征。然而，在實際的半導體工業生產和開發過程中，涉及的自組裝半導體量子點、三維氣體量子點和化學溶膠量子點具有明顯的區別。通過組裝形成的二維半導體量子點具有穩定的光學特性，其譜線長度相對較窄，亮度分辨率相對較高，并且容易形成可擴展的量子點設備。

二、單光子源技術的單光子特性

作為基本粒子而言，光子系統實際上不可再分割的。在系統被攻擊時，無法影響光子攜帶的量子信號，這是因為量子信號會分離成不同的子系統形式。因此，單個光子可以被視為較為理想的量子信號載體。然而，在當前技術水平下，仍然無法及時制備出非常理想的單光子源。單光子源技術的工作原理見圖1。在國內外的一些重要實驗項目和量子加密通信演示中，通常利用量子激光技術來減少光源的退化。然而，一旦退化結束，激光技術并不能立即消除多光子情況，這導致光量子通信傳輸距離受到很大的限制。通過準確測量光源的“單光子性質”，可以掌握光源激發單光子與多光子的相關概率，當一個光源只能激發一個光子時，多次激發單個光子的概率可以趨近于零。通過直接測量共振熒光后的壓縮量，可以證明第一物鏡處的3.29 dB壓縮強度與0.59 dB壓縮力度。其中，單光子源的特性可以使用二階相關的函數來定義：

（1）

在當前許多大規模量子光學實驗中，可以使用非偏振分光器將光子場分成彼此大致相等的正負兩部分。無論是直接進行光量子加密通信還是量子隱形光傳態，所使用的量子光源探測器都必須滿足幾項基本要求：首先，光子到達光源探測器的時間必須準確，門脈沖幅度也必須大于光脈沖幅度。其次，光源中心的線寬一定要盡量地窄。因為光脈沖的單色性越好，其色散效應就越小。此外，光源的中心波長范圍也應盡量相同。否則，在長距離的通信鏈路中，可能會出現偏振變化不一致的情況。另外，應盡量避免在同一偏振編碼系統中重復使用多個偏振光源[2]。

三、光量子通信中的單光子源技術

（一）激光衰減法

激光衰減法是當今科學研究中最普遍的一種單光子源產生或衰減的方式，也稱準單光子源。具體實現方法如下：首先，將連續脈沖激光器發射的脈沖激光進行脈沖化；然后逐漸增加激光衰減，直到激光脈沖中通過衰減的每個脈沖信號平均包含的光子數一般小于0.1。這是激光衰減法的實際應用情況，衰減后的激光脈沖信號具有明顯的量子效應[3]。激光衰減法的單光子源技術在實驗中非常適用，因此在目前大多數物理實驗中被廣泛使用。這種方法的優點在于易于進行物理實驗和參數控制，實驗人員能夠更好地掌握實驗進展情況[2]。但同樣實驗人員能夠更好地掌握實驗進展情況也有很多明顯的缺點，主要包括：①衰減過程會導致相對較大的能量損失，從而限制了單光子脈沖的產生。②激光衰減法能夠產生的單光子脈沖數量較少。③在檢測到這些量子信號時，受到背景噪聲等因素的影響，可能會變得困難。此外，一些衰減的激光脈沖中可能會包含更多的光子，因此竊聽者系統（Eve）也可以利用光子分束技術等手段來獲取可靠的信息，從而影響密碼系統的安全性。

（二）單原子法

單原子法技術的實現機理基于自由原子在其內部的能級結構上表現出的共振熒光特性。該技術的核心原理如下：當光源輻射的特定頻率被自由原子吸收時，其外層電子將發生躍遷，從較低的能級上升到較高的能級。隨后，電子會逐漸返回到較低能級或基態，并發射出幾乎與激發光源頻率相同的熒光。在1977年，美國和法國的金布爾等人首次在實驗中觀察到鈉原子蒸汽產生的電子共振和熒光現象。而在2004年，CIT公司的McKeever等人通過實驗成功實現了有效的單光子發射束。然而，由于實驗中很難完全控制單光子源的發射能量以及測量數據的獲取，目前還沒有明確的單光子源發射過程和方法。

（三）單分子法

根據能級理論，在脈沖光子激發的共振狀態下，高能電子會被激活到激發態，這個狀態極不穩定，會迅速躍遷到基態附近的振動能級。在這個過程中，會逐漸釋放出高能熒光光子。這樣的電子能級躍遷過程可以重復產生單個光子，但存在限制。當分子的激發態接近激發脈沖的持續時間時，會發生連續的再激發過程，導致產生兩個或多個光子，與實現單光子源的要求不符。為了實現單分子光子觸發源，必須確保激光脈沖的重復時間遠遠大于激發態的持續時間，這樣可以有效地抑制再激發過程，提高單光子發射的效率。此外，這種方法的優點是在室溫下通常具有較高的單光子發射效率。然而，目前仍存在材料的不穩定性和白化現象等問題，需要及時有效地解決這些問題，以提高單分子光子觸發源的性能和穩定性。

（四）量子點法

實驗與證據表明，單個半導體量子點可以作為單光子源發射出單個光子。在現代工程領域的分析中，半導體量子點材料被認為是為單光子源和發射光系統設計應用的一種成熟理想的材料。相比于其他類型的單光子源結構器件，量子點單光子源的結構可以直接設計到分布式布拉格反射器陣列芯片（DBR）微腔體陣列中，以實現最大的重復掃描速度。現有的實驗數據表明，量子點單光子源具有不褪色的特性，并且具有較窄的譜線寬度。因此，量子點單光子源技術被廣泛認為是最有潛力的量子點單光子源系統之一。國際上有許多重要的研究機構在使用量子點技術進一步研究量子通信[3]。

（五）單光子源產生技術比較

要想實現實用效果的光量子通信技術，對單光子源技術的研究是至關重要的。只有制造出高質量的單光子源，才能推動光量子通信的應用和發展。在比較不同單光子源的產生方法時，由于涉及產生原理、技術實現和工藝水平等方面的差異，不同方法產生的單光子源在技術指標和應用特點上也會有明顯的差異。這些差異會影響最終的使用效果。在這個背景下，表1展示了各種方法之間存在的差異。

四、光量子通信中的單光子源技術的重點設計

（一）優化激光驅動器

在光量子通信中設計單光子源技術時，應優化機關驅動器的形式，以確保中心波長的光穩定性和光脈沖峰值功率輸出的一致性。這些光學參數通常由激光器內部的P-I（功率-電流）曲線特性和激光器閾值電流確定。為了確保激光器能夠在工作溫度變化期間穩定工作，并在使用壽命內正常運行，需要采取措施來補償或減弱溫度急劇變化和材料老化對激光器參數的影響，以確保其正常運行。為了保證激光器的中心波長穩定，可以采用閉環的溫度自動補償調節系統（PID）等技術方法來精確控制激光腔內部的溫度。此外，交流耦合可以引入復雜的低頻削波，導致基線產生低頻抖動甚至漂移。特別是當實際使用的高頻激光脈沖中包含大量低頻內容時，會出現明顯的漂移現象，影響儀器的正常運行。為保持激光脈沖功率輸出波形的相干性，使用錐形電感將交流耦合做成磁珠，以有效保證激光器輸出功率值在各種隨機脈沖條件下的恒定性。

（二）工作狀態監控

在設計中，加強對工作狀態的監控對于確保系統的穩定運行非常重要。為了實現這一點，可以在溫控系統中加入溫度傳感器，以監測系統的溫度。特別是在半導體高發熱的敏感區域內，需要不斷增加對溫控模塊的電壓和電流的監測。這樣可以實時動態地反饋半導體制冷機系統的整體工作狀態。

（三）關鍵信號的布局布線

針對窄脈沖信號產生源和激光系統的驅動輸出電源，它們都屬于高速脈沖信號，在整個布線和設計過程中必須保證這些脈沖信號源的完整性。為了減少高阻抗信號傳輸不連續性帶來的問題，可以采取以下幾種方式來實現最佳設計和性能：1、選擇和使用具有良好設計精度的高頻布線工藝和具有連續接地層的多層板，以最大限度減少EMI信號泄漏和串擾現象。2、盡量避免線路出現分叉等故障，確保數據輸入直接連接在多個IC信號源之間。3、在MAX3949信號輸出線和數據傳輸線之間插入激光二極管，以減少功率損耗和信號串擾。插入的激光二極管長度應盡可能短，并且具有低于50Ω（差分）或超過25Ω（單端）的特性阻抗，以確保良好的性能和避免不良反應。4、使用專用的電源和地層來降低高壓線路電感，為輸出的高速電流信號提供更好的返回路徑。在高速電源線路和I/O接口下方進行連續接地層布線，并將地回路布置在最靠近激光器IC接口和激光器I/O口的位置，以形成IC和激光器的電流回路，并增加濾波和補償電路以提高性能。

五、結束語

綜上所述，光量子通信作為實現信息安全的全新工具，具有巨大的發展潛力和商業價值。科學家們預測全球光量子通信在近幾年內將實現，并且單光子源技術已成為現代光量子通信領域中最關鍵的技術之一。因此，開發高性能安全的單光子源器件迫在眉睫，也是當前亟須解決的問題。盡管國內現有光量子通信技術目前并不理想，存在一些技術性問題，但近年來，學術界對單光子源器件進行了廣泛而深入的研究，認識到其在實現光量子通信網絡中的重要作用。這些研究不斷推動單光子源技術取得更實用的研究成果。然而，在實際應用方面，仍然面臨許多挑戰。要建立更大規模的光量子通信網絡，需要實現不同量子系統之間的相互滲透轉換。這意味著需要克服不同系統之間的兼容性和互操作性問題，以實現聯合操作和信息交換。在未來的研究和發展中，隨著我國各種相關技術的深入研發和進步，預計單光子源技術將逐漸完善，并能夠滿足實際應用的需求。這將為光量子通信行業的高速發展鋪平道路。

作者單位：付帥奇 陳紫暢 徐穎 濱州學院

肖訓維 江西財經大學

參? 考? 文? 獻

[1]馬奔.通訊波段In（Ga）As量子點單光子源及光纖耦合器件的制備[J].物理學報，2021，70（8）：8-76.

[2]虞味，周媛媛.基于預報單光子源的相位匹配被動誘騙態量子密鑰分配[J].光學學報，2021，15（5）：11-16.

[3]孟杰，徐樂辰，張成峻，等.標記單光子源在量子密鑰分發中的應用[J].物理學報，2022，71（17）：11-77.