单光子源技术推动量子通信发展

 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。大量研究已经证明，使用单光子源的量子通信是绝对安全的，并且具有很高的效率。由此可见，理想的单光子源是量子通信的基础，其特性的研究具有很高的价值。

基于安全性方面考虑，为了保证在通信过程中不会被光子数分束攻击，理想的单光子源应该严格满足每个脉冲中仅含有一个光子。然而，现阶段大多数实验所用的光源都是经过强烈弱光脉冲衰减得到，其光子数服从泊松分布。这种光源严格意义上讲是无法实现单光子脉冲的，实际做法是尽量降低每个脉冲里含有两个以上光子的几率，降低到不会对安全性产生影响。通信系统中是存在损耗的，即使脉冲中含有两个以上的光子也很少带来安全隐患，此外由于脉冲大多是不含光子的空脉冲，因此严重降低了密钥分配系统的传输效率，同时也增加了系统的误码率。所以高性能单光子源的研究已经成为影响量子通信发展的重要课题之一。

量子点单光子源：使用量子点可以稳定地发出单个光子流，每个光子可由光谱过滤器分离出来。与其他单光子源相比，量子点单光子源具有较高的振子强度，较窄的谱线宽度，且不会发生光退色。目前的半导体基本上可以覆盖从可见光到红外波段。

量子点单光子源的研究一直很活跃。2001年斯坦福大学的科研人员在GaAs衬底上制造出一层发光波长为877nm的InGaAs量子点，通过激光器发射把激光发射到量子点的台面上。结果表明，在激光脉冲的作用下产生的激子进入一个量子点后，量子点吸收一个光子后再吸收第二个光子的可能性大大降低，这使产生反聚束光子流成为可能。Toshiba-Cambridge大学的欧洲联合研究小组在2002年采用量子点结构的LED实现了电注入单光子发射。2005年他们成功利用量子点制造出波长在1.3μm通信波段的单光子光源。2007年，我国中科院半导体研究所超晶格国家重点实验室相关研究人员成功实现了量子点的单光子发射:8K温度下脉冲激光激发InAs单量子点，可以观测到932nm的单光子发射，发射速率大于10kHz。但是，这一领域仍然有很多难题需要解决，比如尺寸、形状的均一性控制，光谱的单色控制，以及对低温的要求等。

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收集光能量，并将其限制在亚波长尺度，其巨大的局域场增强效应为纳米光子学提供了广阔的应用前景。

目前，每个脉冲产生一个光子的器件已经研制成功，问题是怎样将产生的光子沿某一特定的方向高效率地发射出去。光子晶体、介质球、光学微腔结构、金属表面等都可以改变光场方向，而共振光学天线对光场的改变更为局限化。它可以将入射光场有效限制在亚波长区域，也可使纳米尺度的小颗粒辐射强度显著增强，同时改变辐射方向。实验证明，天线的等离子模式调到附近分子电子跃迁的频率附近时会产生共振，发光分子与天线产生足够强的耦合，这样就可以控制发光方向。Van Hulst小组将长为80nm的铝制单耦天线接近一个荧光分子，通过改变天线与光的耦合方式，分子发出的光可以被调整90°。R.Esteban小组于2009年介绍了一种金属等离子电线产生单光子激发的方案，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提出的，并且给出了数值模拟结果。随着表面等离子体的发展，纳米天线单光子源一定会从理论走向应用。