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在第一篇文中，本人说过将从以下四个方面来说说墨子号的事：
以下是前两篇的传送门： 第三篇咱们来说说“单光子源”。 《科学》对墨子号的报道 国内质疑量子卫星最厉害的是一位叫池昭新的，不可否认池先生是一位爱学习的人，一年来（从我在头条上了解到这个人开始算），他的质疑越来越完善，而且有些点确实是说到点子上了。 他认为潘建伟团队在造假，因为他认为：人类无能力抓控与稳定单光子。 而量子信息技术最基础的部分就是：单光子制备、操纵和测量。而且清晰可控的高密度“单光子源”阵列更是构建量子芯片器件和量子网络的关键！ 然而，池先生把一件重要的事情搞错了，现在所谓的“单光子”并非是一个光子的意思，而是具有“单光子性”的一束光线。 何谓“单光子性”？ 所谓单光子性就是在某个微小时间段内，去检测一束光线只能检测到一颗光子，说通俗一点就是光子发射出来的速度是均速的，而不是有时多有时少。 如下图所示，在τc这个时间段内，最上面的这束光中差不多只能检测到一个光子，中间这束光则有两个光子，最下面的那束光有三个。而将τc左右平移时，可以发现，最上面的那束光“单光子性”最好，因为它差不多都只能检测到一个光子，而下面的两束光，则有时多有时少。从分布上来看，一段时间内，检测到的光子数是符合泊松分布的。 用于量子通信的光子，要制造量子纠缠，除了具有“单光子性”之外，还得产生两束或两束以上完全相同的光线，这样某一时刻的光子才可能纠缠起来。这在量子力学中有个指标叫“全同性”。 1987年，美国罗切斯特大学的三位研究人员Chung-Ki Hong、Z.Y. Ou(区泽宇)和Leonard Mandel发现了一种双光子量子干涉效应，实现了两个单光子的“对话”（或者说纠缠）。这个过程的发生有一个至关重要的条件，就是两个光子一定要“全同”；也就是说，从量子力学原理上，两个光子要一模一样，根本不可能分得清谁是谁。 Hong-Ou-Mandel干涉效应原理图 当两个一模一样的光子分别从上、下方向射向一个半透半反的分束器，结果存在1、2、3、4四种可能。其中，2、3这两种情况在原理上都无法区别，而且相位相消，因而剩下1、4两种可能：要么都从上方走，要么都从下方走。 Hong-Ou-Mandel干涉效应进一步说明了“单光子性”的重要性——只有两个单光子输入分束器，该效应才存在。 对于“单光子源”来说，除了具备“单光子性”和“全同性”两个硬指标外，还必须具有好的“提取效率”，才可真正用于可扩展、实用化的量子信息技术。 提取效率是从谐振腔（可以简单说是单光子源）跑出来到达第一级透镜（也就是检测光子的接收设备）的光子数占产生光子数的比例。这个效率当然是越高越好。 目前“单光子源”有以下几种方案： 1.强衰减激光脉冲：使用平均光子数很小的相干态来充当单光子数态，在实际应用中使用半导激光器和准直衰减器来实现，可操作性强，在实验中很容易实现。 2.参量下转换单光子源：这个研究方向是产生成对的单光子源，典型的例子是自发参量下转换(PDC)。PDC过程是根据晶体X*X非线性效应将泵浦光转换为成对的光子。因此探测到一个光子可以暗示第二个光子的存在。但是这种双光子对的产生效率很低，在给定的某一模式中，大约需要1010个泵浦光子才能产生一个光子对。 3.量子点单光子源：量子点(Quantum Dot)是由分子束外延方法人工生长的纳米尺寸原子团簇。由于材料性质，电子在各方向上的运动都受到囚禁，所以量子限域效应显著，形成分立的能级。电子受到激发，在分立能级之间跃迁，就能发射需要的单光子。 4.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。 在过去二十年里，优良的单光子源是国际上许多小组努力的目标。2000-2001年，加州大学、剑桥大学和斯坦福大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源。 2013年由潘建伟、陆朝阳小组首创量子点脉冲共振激发方法，实现了当时国际上品质最好的量子点单光子源，单光子性和全同性分别达到99.7%和97%。但美中不足的是，提取效率只有6%，主要就是由于量子点材料折射率、平面腔结构设计等各方面技术限制。 陆朝阳和潘建伟 2016年1月14日，潘建伟、陆朝阳研究小组在《物理评论快报》发表了一项成果，随后，美国物理学会的《物理》(Physics)网站以“全能的单光子源”为题刊发了推介文章，《自然》(Nature)杂志以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目做了报道，英国物理学会《物理世界》(Physics World)和美国光学学会旗下的《光学与光子学新闻》(Optics & Photonics News)也做了长篇报道。这项成果是，潘建伟、陆朝阳团队通过高精度分子束外延生长与纳米刻蚀工艺结合，获得了低温下与量子点单光子频率共振的高品质因子光学谐振腔。 上图一根根“柱子”就是光学谐振微腔，由一层层的“镜面”构成。腔中的红点就是量子点，量子点受激产生光子。把腔中的红点放大了看，就是下图这个样子。 紫红色的部分就是利用高精度分子束外延生长技术制备的量子点。科研人员在纳米尺度上控制砷化镓和砷化铟，让它们长成图中的样子，就是为了巧妙设计量子点的尺度和形状，形成势能壁垒，将电子和空穴束缚其中，砷化镓和砷化铟原本都有各自的能带结构，在这样的势肼中，连续的能带变成了分立的能级，这就是受激辐射产生光子所需的二能级结构——电子吸收能量从基态跃迁至激发态，再通过受激辐射回到激发态，同时放出一个特定状态的光子。 最终的综合指标令人满意，单光子性、全同性和提取效率分别达到了99.1%、98.5%和66%！虽然提取效率达到了66%(理想的水平实际应该可以达到85-99%)，但最终被探测器探测到的光子只有20~30%，也就是说，探测效率还需要进一步提高。 2017年，中国科学技术大学单分子科学团队董振超研究小组，通过发展与扫描隧道显微镜（STM）相结合的单光子检测技术和分子光电特性调控手段，首次清晰地展示了空间位置和形貌确定的单个分子在电激励下的单光子发射行为及其单光子源阵列。研究成果发表在《自然·通讯》上。 STM诱导单个分子电致发光的实验示意图 从单光子源的制备来看，发射端出来的光子都不是一个一个光子的，那接收检测端，更不可能每次只检测一个光子了，所以说，池先生完全没有搞懂量子信息技术中“单光子”的真正含义，而头条上好几个专业的科普作者也只简单的说可以用“势肼”制备“单光子”，如此专业的说法，吃瓜群众当然摸不着头脑了。 而真正的“单光子探测器”是存在的，只是现在它的用途不是用于量子信息技术中，而是用于单个光子探测和计数。利用类似于人眼杆状细胞的光探测机理，美国西北大学和伊利诺斯州大学的研究小组已经开发出了红外单光子聚焦载流子增强传感器（FOCUS）。该装置有望在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面取得广泛应用。 当然，这是另话。 |
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