郑宇妮 魏文奇 储瑞

摘   要：在未来世界的发展前景中，光量子比特是进行量子通信的主要体系之一，单光子源有着稳定性较强、效率较高、质量较强等方面的特点，是保证量子通信安全性的重要保证。在量子点外我们可以对其施加电场，将单个原子囚禁起来，并且对光量子网络进行扩展，那么在这样的技术条件下，微注腔耦合的量子点就拥有了物理学中较强的Purcell效应，也就是说在保证单光子和光子全同性的同时使其工作效率显著提升，而且其相干性能也是比较卓越的，大规模的量子计算也成为了一种可能。在当前的科学研究领域之中，人们偶然在二维单原子层材料中发现了非经典的单光子发射，这就使得量子光学领域和二维材料有了融合的可能性，是未来发展的新的思路。本文立足于实际，结合当前科学理论研究的背景，提出了发展单光子源的意义和重要性，并且分析了单光子源在量子信息领域中的应用。

关键词：单光子源  量子  信息领域  应用

中图分类号：TN918                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（b）-0136-02

随着科学技术的进步和社会的发展，各行各业对信息技术的依赖性逐步加强，在社会进步的同时人们对信息处理的速度要求也随之增高，在传统的信息技术领域，传统的信息技术主要是依赖单一芯片上的集成晶体管数量的增加来完成速度的提升的，外国学者Moore曾经指出单一芯片上的集成晶体管的数目应当和人类社会发展的速度相匹配，也就是可以每隔18个月翻一番，在这一思想的指导和支配下，传统的信息技术有着飞速地发展，但是在发展的过程中，晶体管的体积越来越小，甚至可以小到原子的尺度，那么这个时候量子隧穿的效应可以明显地显示出来，所以，传统的Moore定律也将不会再起作用。在随后学者的研究过程中，量子秘钥的研发、平衡函数的算法、量子隐形传态等新的领域的探索和研究使得量子通信和量子计算在一些信息科学技术方面有着其他材料所不具备的独特优势，这一领域的应用和发现使得量子信息越来越受到学者们的关注。

量子比特是量子信息中最基本的一个单元，而且具有独特的性质，从物理学的研究领域来看，量子比特的载体在物理学中有着各种各样的系统，其中有核自旋、冷原子、光子等方面的内容，其中光量子比特最大的优势就在于其有着很强的相干性，可以实现完美的操纵作用，充分地利用光传播的相关优势，是发展量子通信和量子计算中的一个最优的选择，是未来发展的主要研究方向。

1  单光子源的相关概念分析

1.1 发展单光子源的意义

在科学研究发展进程中，传统的RSA秘钥的安全性被破解，其安全性受到了极大的威胁，在这样背景下，学者们从量子力学的不确定这一层面出发，深入地研究了量子秘钥的分发方案，也为将来的安全工作提供了一个新的思路，在量子力学中，量子具有不可克隆的定理，从目前的大多数的应用情况来看，完美的单光子源并没有普遍的使用，所有的量子均是通过激光衰减到单光子级别来实现的，而这些经过激光衰减的光子是满足物理学中的Poisson分布的，但是这种方式在传播过程中会存在一定的损耗作用，窃听者就可以利用这一弱电来实施光子数的分离攻击，因此，随着研究的深入，我们可以发现只有采用真正的单光子源才能实现安全性的特点。

从目前的应用实际来看，光量子比特是一种非常理想的量子通信载体，相关的理论研究也证明了使用单光子源和线性光学器件是可以进行有效的量子计算的，但是在具体的应用过程中会出现纠缠事件，从而给实际应用带来较大的困扰，从未来发展的角度来看，发展和探索高品质、高质量、高效率的单光子源是未来发展的迫切需要。

1.2 自组装半导体量子点

在量子点这一领域的发展过程中，量子点又被人们称之为人造原子，这主要是量子点的载流子会受到来自于3个维度的束缚，最终形成的形态是和原子的分立能级结构非常相似的，因此，人们也将量子点形象地称之为人造原子。在实际的工业应用过程中，量子点的制备工艺也是比较广泛的，但是在实际应用中，自组装的半导体量子点和化学溶胶量子点、二维点子气量子点是有着比较大的差别的，自组装的半导体量子点具有非常优秀的光学性质，而且其谱线是比较窄的，亮度也是非常高的，在具体的实践过程中具有很强的可塑性，也就是说可以通过外加电压来调节量子点的带电形态，还可以通过光学的方法来对自旋量子进行比特方面的操纵，极易形成可以扩展的量子器件，从而为生产实践提供帮助。

2  单光子源在量子信息领域的应用分析

在目前的应用实践中，二维单原子层材料是单光子源在量子信息领域中的一种非常良好的应用，二维单原子层材料具有比较特殊的光学性质和电学方面的性质，是非常具有潜力的研究内容。从其构成来看，过渡的金属硫化物也就是TMDC是一种拥有着石墨烯结构的二维材料;从其物理结构上来看，这种二维材料是具有六方晶格结构的，在六方区的顶格部分，存在着两种能量，我们将之称之为“谷”，在谷内，电子波的函数是呈现出二分量的形式的，也就是和电子的自旋情况比较相似。在具体的应用实践过程中，如果单层的二维材料存在着一定的应用缺陷的话，那么该缺陷就会俘获载流子进而形成局域的激子，这种缺陷同样可以通过机械剥离和化学气相沉积这一方式来诱发，而在此条件下所形成的局域激子在光致激发的情况下可以产生可见的光波段的单光子。在具体的应用和测量过程中，我们可以发现二维材料的缺陷是具有非常大的g因子的，其数值高达8.8，也就是说这一数值已经远远大于单原子层谷激子和InAs的量子点。和其他类型的单光子源相比，在单光子层基础上的单光子器件不仅仅有利于光子的读取和控制，而且在具体的应用实践过程中可以便利化地制备和实现与其他类型光电器件的融合。举个例子来说，微纳结构谐振腔就可以在具体的应用实践过程中实现高效光量子的信息处理，显著地提高信息处理的效率。

3  结语

从抽象化的定义上来分析，确定性的单光子源是指在某一个特定的时刻仅仅只产生一个光子的一种新兴的量子光源，和传统的量子光源相比，这种新型的量子光源具有非常强悍的单光子性，在同等条件下可以极大地提升量子通信的安全性和量子计算的准确性，随着我国学者对该领域的关注和研究，这种确定性的、高效率的、高品质的单光子源必然将会有着优良的应用。但是在未来的应用实践过程中，依然还有着非常漫长的道路要走，要想在具体的实践中构建出更加广阔的量子信息网络，那么就必须实现不同量子体系之间的相互转化，在当前的科研水平中，科学家们已经论证了光子的自旋态和偏振态之间是可以實现相互的转换的，那么在未来的研究领域中，对于单自旋量子态的研究将会是量子领域中非常重要的一个方面，当然，随着研究的深入我们也必须从不同波段的量子点单光子源入手，使得光纤量子通信、冷原子之间能够和量子通信领域相互结合，进一步推动量子领域方面的进步与发展。

参考文献

[1] 倪文强，薛梦驰，刘选斌，等.量子保密通信器件发展概述[J].现代传输，2018（1）：64-67.

[2] 何业锋，宋畅，李东琪，等.基于指示单光子源的非对称信道量子密钥分配[J].光学学报，2018，38（3）：422-429.

[3] 许凯丽，刘山亮，孟倩.基于掺铒光纤的单光子源[J].光通信技术，2016，40（11）：60-62.

[4] 吴先涛，吴承治，张中奇，等.量子通信系统的光器件特性及内部接口[J].现代传输，2016（4）：69-79.

[5] 高枫.网络化量子密钥分发系统的关键技术研究[D].北京邮电大学，2016.