量子通信中单光子探测器的研究

量子光学中的单光子发射和检测

量子光学中的单光子发射和检测量子光学是一门研究光和物质相互作用的学科，其中单光子发射和检测是其重要研究内容之一。

随着量子通信、量子计算等领域的迅速发展，单光子发射和检测技术的研究也变得越来越重要。

一、什么是单光子发射单光子发射是指在特定条件下，光源发射出了只含有一个光子的光子束。

其中的“特定条件”即为“激发态”，即只有在物质的某种能量态下才能进行单光子发射。

单光子发射是量子力学研究的重要现象之一，它可以为量子通信、量子计算等领域提供一个优质的光源。

二、单光子发射的应用1、量子通信量子通信是指利用量子物理学原理和特性来保证通信的安全性和可靠性的一种通信方式。

在量子通信过程中，单光子发射技术被广泛应用。

由于单光子发射的光子数目极少，因此被用作信息的基本单元，在量子密钥分发、量子隐形传态等过程中用来传输密码信息，保证了通信过程的隐私性。

2、量子计算量子计算是利用量子物理学的性质进行信息处理的一种计算方式。

在量子计算过程中，信息的读取和储存需要单光子发射和检测技术。

由于单光子发射技术的优势在于发射的光子具有精确的波长和频率，因此可以被用来实现单光子门和单光子源等，用于量子计算。

三、什么是单光子检测单光子检测是指检测到光束中单个光子的技术。

利用光电倍增管等探测器设备，单光子检测可以通过测量探测器输出的电荷信号来实现。

四、单光子检测的应用1、量子隐形传态量子隐形传态是一种利用量子纠缠态进行的信息传输方式。

在量子隐形传态实验中，需要对传输的光子进行精确地测量，因此单光子检测技术在其中有着重要的应用。

2、基于单光子的成像在生物医学领域中，单光子检测被广泛用于基于单光子的成像。

通过测量和记录单个光子的到达时间，便可以构建出分辨率极高的三维图像，从而用于研究生物体内部的结构和功能。

五、单光子发射和检测的技术挑战单光子发射和检测技术面临着多种挑战，其中最为重要的挑战之一是光子噪声。

光子噪声在单光子发射和检测中是不可避免的，因此需要对检测系统进行精细的设计和优化，包括优化探测器效率、降低探测器背景噪声等。

中国专家谈单光子探测技术：千里外就发现F22

中国专家谈单光子探测技术：千里外就发现F222月4日，英国《自然》子刊《自然—纳米技术》以长文形式，发表了中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等人关于量子点脉冲共振荧光确定性高品质单光子源的研究工作。

这是我国量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上的第一篇论文。

量子点是一种通过分子束外延方法制备的纳米晶体，又被称为“人造原子”，可以为量子保密通信和光学量子计算提供理想的单光子源。

此前，美国加州大学、斯坦福大学和英国剑桥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。

然而，由于单光子发射时间抖动、激子退相干等，不可避免地引起光子品质下降，光子全同性只能达到70%左右，无法进一步应用于可扩展量子信息处理。

要发展能够真正实用化的光量子信息技术，关键技术之一是实现确定性的高品质单光子源。

为此，微尺度物质科学国家实验室的潘建伟、陆朝阳等在国际上首次发展了一套新颖的量子点脉冲共振光学激发、多重滤波技术，显著消除了消相干效应，解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题。

实验产生的单光子源信噪比超过300：1，二阶关联函数小于1.5%，光子全同性优于97%，这些技术指标使得中国在这一领域的研究跻身世界前列，为可扩展光学量子计算和基于自旋的固态量子网络的实现奠定了基础。

审稿人称赞这是一个“令人惊喜的高质量实验”。

中国专家谈单光子探测技术：千里外就可发现F-22解放军报的相关报道单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。

单光子探测器可对单个光子进行探测和计数，在信号强度仅为几个光子能量级的条件下，单光子探测器的作用十分巨大。

光子，是光的最小能量量子。

单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。

有关专家认为，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式。

单光子光学信号探测技术研究

单光子光学信号探测技术研究随着科学技术日新月异的发展，单光子光学信号探测技术成为了现代光学研究领域的一个热点问题。

这项技术可以在纳米尺度上精确探测物质的光学信号，并且具有高精度和高灵敏度的特点，因此在物理、化学、材料科学等领域都有不少应用。

光学信号探测技术是探究物质在光场中的响应和相互作用的重要手段。

在光学信号探测中，单光子光学信号探测技术则是利用单个光子探测物质的光学信号。

作为纳米尺度下最小的信号单位，单光子具有极高的能量敏感性和信号检测灵敏度，因此可以得到更加准确的信号数据。

单光子光学信号探测技术的研究现状单光子探测的方法主要有两种：一种是传统的单光电子倍增二极管探测器（SPAD）探测方法，另一种是新兴的超导探测器探测方法。

SPAD探测方法是通过探测单光子引发电子级联倍增的过程来实现探测，具有高速性和高效性的特点，但输出信号存在高能背景噪声的问题；超导探测器则是利用超导元件的特性进行光子探测。

由于其冷却要求极高，价格昂贵，目前仅有寥寥数家研究机构拥有该技术。

研究人员在对单光子光学信号探测技术的研究过程中，通过对材料、器件、信号处理、成像等方面的不断探索，逐步提高单光子探测的灵敏度和精度，使其在物理学、化学、生物学及信息科学等领域得到广泛应用。

单光子光学信号探测技术的应用前景单光子光学信号探测技术在各个领域的应用前景广泛。

物理学领域，可以通过单光子探测技术实现量子计算、量子通信、量子隐形传态等量子信息的研究；化学领域，可以利用单光子探测技术进行分子结构的测量和分析；生物学领域，可以通过单光子探测技术研究细胞分子结构和功能活动，进而探究与人类健康相关的疾病危险因素。

总之，单光子光学信号探测技术的应用前景十分广泛，并且仍然有许多研究方向有待深入挖掘。

结论单光子光学信号探测技术作为一种前沿技术，自问世以来就备受关注，其在多个领域的应用前景及其科技发展的前景都非常可观。

随着新材料、新器件和新算法的不断研发，单光子探测技术的灵敏度和精度也将会得到进一步提高，为更广泛的领域带来更为丰富的应用。

单光子探测技术在量子通信中的应用研究

单光子探测技术在量子通信中的应用研究随着时代的发展，电子通信已经成为我们生活中极为重要的一部分。

而近年来量子通信技术的兴起，则有望将传统电子通信技术推向一个更加精确、安全的新时代。

单光子探测技术作为量子通信中不可或缺的重要技术手段，其研究也逐渐成为了学界研究的热点，本文就探讨单光子探测技术在量子通信中的应用研究。

一、单光子探测技术简介单光子探测技术，是现代量子通信技术中的一种核心技术，它的作用就是通过检测系统中单个光子的到达时间及其位置，从而实现量子信息的读取与传输。

其实现原理和技术手段有多种，包括单光子探测器、光致发光光纤传感器等。

其中，单光子探测器可分为基于光电效应和基于超导材料的两种类型。

光电单光子探测器通常采用吸收、增强等方式将单光子转变为电子，通过电子放大等手段实现对单光子的探测。

而超导单光子探测器则采用超导材料探测单光子，其探测效率和探测灵敏度均优于光电单光子探测器。

此外，单光子探测技术的精度和灵敏度还受到探测器冷却、背景噪声等因素的影响。

二、单光子探测技术在量子通信中的应用1. 量子密钥分发量子密钥分发（QKD）是量子通信技术中最为重要的应用之一，其主要思想是通过对单个光子的检测来实现双方之间信息的传输、共享。

利用单光子探测技术，可以有效避免信息泄露和窃听等问题，使得信息传输更加安全可靠。

例如，基于超导单光子探测器的QKD系统，其一次传输距离可达200公里，并且复合误码率低于2%，探测效率高达70%以上。

这样的结果说明，QKD技术在未来的量子通信中将会有着广阔的应用前景。

2. 量子隐形传态量子隐形传态（QST）是量子通信技术中的另一项重要应用。

其所述的隐形是指信息传输过程中不涉及信息内容本身的传输。

通过单光子探测技术，可以实现信息的传输与读取，并且保证信息不被篡改和窃取。

例如，在某些量子隐形传态实验中，研究人员通过单光子探测技术实现了对量子隐形传输的控制，实现了非局域电子信号的传输，为今后量子通信技术的发展打下了重要基础。

单光子探测器的原理

单光子探测器的原理单光子探测器是一种能够检测光的最小单位——光子的光学仪器。

其原理基于光子的量子特性，利用光电效应将光子转化为电子，并通过电子的探测来实现对光子的检测和计数。

单光子探测器在量子光学、量子通信、量子计算等领域具有重要的应用价值。

单光子探测器一般由光电二极管（PD）或光电倍增管（PMT）构成。

下面将分别介绍这两种类型的单光子探测器的原理和工作方式。

1. 光电二极管（PD）单光子探测器光电二极管单光子探测器是利用光电效应将光子转化为电子的装置。

光电二极管由P型和N型半导体材料组成，两个不同的材料之间形成P-N结，其内部形成耗尽层。

当光子照射到耗尽层时，光子的能量被电子吸收，并激发一部分电子从价带跃迁到传导带，形成光电流。

光电流经过增强电路放大后，即可被检测到。

光电二极管单光子探测器的主要特点是高时间分辨率和低成本。

它的工作原理简单，适用于波长范围广，包括可见光和红外光等。

另外，光电二极管还可以采用一些增强技术，如冷却和增益放大器，以提高探测效率和灵敏度。

2. 光电倍增管（PMT）单光子探测器光电倍增管单光子探测器是一种将光子转化为电子，并经过倍增放大后检测的装置。

光电倍增管由光阴极、电子倍增结构和阳极等组成。

光子照射到光阴极时，光子的能量被光阴极吸收，并激发出电子，形成初级电子。

初级电子被电子倍增结构中的一系列二次发射表面所吸收和发射，从而进行倍增，最终形成大量次级电子。

最后，次级电子被阳极吸收，并经过放大电路放大后即可被检测到。

光电倍增管单光子探测器的主要特点是高增益和低噪声。

光电倍增管具有高放大倍数和较低的附加噪声，因此能够检测到非常弱的光信号。

光电倍增管适用于宽范围的光谱，包括可见光、紫外光和一部分红外光等。

为了提高单光子探测器的性能，研究人员一直进行着一系列的改进工作。

例如，引入低温冷却技术可以降低器件的热噪声，并提高探测器的灵敏度。

此外，采用新型的材料和结构设计也可以进一步改善探测器的性能。

单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器研究现状与发展
霍晓培;杨德振;喻松林;李丰君;蔡佳一
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2023(53)1
【摘要】单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。

单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。

为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。

此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。

【总页数】9页(P3-11)
【作者】霍晓培;杨德振;喻松林;李丰君;蔡佳一
【作者单位】华北光电技术研究所;贵州师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN215
【相关文献】
1.光子型红外探测器研究现状及发展趋势
2.日盲单光子紫外探测器的发展
3.超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展
4.单光子探测器件的发展与应用
5.单光子源和单光子探测器研究进展
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基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究

基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。

基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。

然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。

单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。

研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。

本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。

主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。

设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。

对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。

利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。

改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。

量子通信中的光源与探测器选择要点

量子通信中的光源与探测器选择要点量子通信作为一种新兴的通信技术，具有安全性高、抗干扰能力强等优势，正在逐渐走向实用化阶段。

在量子通信系统中，光源和探测器是至关重要的关键元件，对通信系统的性能和稳定性起到决定性的作用。

因此，在量子通信中，选择合适的光源和探测器是非常关键的。

本文将从光源和探测器两个方面介绍量子通信中的选择要点。

一、光源的选择要点1. 单光子光源的选择：在量子通信中，单光子光源是必不可少的关键设备之一。

单光子光源的选择要点主要包括发光效率、自发发射概率和发射单光子的能力。

发光效率是指光源产生单光子的概率，发光效率高的光源能够提高通信系统的信号强度；自发发射概率是指光源自发发射多光子的概率，低自发发射概率的光源能够有效减少噪声；发射单光子的能力是指光源连续发射单光子的能力，只有具备优秀的单光子发射能力，才能保证通信系统的稳定性和安全性。

2. 光源的稳定性和一致性：在量子通信中，光源的稳定性和一致性是非常重要的，它们能够保证通信系统的可靠性和一致性。

稳定性是指光源输出的光子数目和时间上的变化偏差是否足够小，而一致性是指多个光源输出的光子具有相同的统计特性。

选择具有良好稳定性和一致性的光源能够提高通信系统的稳定性和数据传输的准确性。

3. 光源的频率稳定性：量子通信中，光源的频率稳定性对于通信系统的性能也有很大影响。

频率稳定性是指光源输出的光子频率是否足够稳定，能够在一定的频率范围内保持稳定。

选择具有良好频率稳定性的光源能够降低通信系统的误码率，提高传输速率和传输距离。

二、探测器的选择要点1. 效率和探测效能：探测器的效率和探测效能是选择探测器时要考虑的重要因素。

探测器的效率越高，能够探测到的光子数目就越多，从而提高通信系统的信号强度；而探测器的探测效能是指在给定条件下，探测器能够识别和计数单光子的能力。

选择具备高效率和高探测效能的探测器，能够提高量子通信系统的灵敏度和可靠性。

2. 量子效应和噪声：在量子通信中，探测器的量子效应和噪声也是需要重点考虑的因素。

单光子探测器技术原理

单光⼦探测器技术原理单光⼦探测器技术原理简介1. ⼯作原理单光⼦探测器是⼀种对微弱光信号进⾏探测的设备，输⼊光强度最低可到单光⼦⽔平。

以通信最常⽤的1550nm和1310nm光波长为例，单个光⼦的能量分别为1.28*10-19焦⽿和1.52*10-19焦⽿，这意味着输⼊信号能量极其微弱，必须使⽤特殊的光⼦检测器件探测输⼊光⼦脉冲事件。

不同种类的雪崩管服务于不同的探测应⽤⽬的，例如基于Si的雪崩管适⽤于可见光波段检测，InGaAs或InP 的雪崩管更适合近红外波段。

薄结⼯艺标准CMOS⼯艺厚结⼯艺常见的SACM型InGaAs/InP APD的半导体结构数据来⾃Micro Photon Devices公司数据来⾃Perkin Elmer公司单光⼦探测器的⼯作原理是利⽤⼯作于盖⾰模式（Geiger Mode）下的InGaAs/InP雪崩光电⼆极管（APD）进⾏单光⼦探测。

所谓盖⾰模式是指APD ⼯作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压，盖⾰模式与线性模式的区别在于能够将微弱光⽣载流⼦放⼤产⽣宏观电流。

根据对APD施加偏压的波形，将探测器分为门控⼯作模式和⾃由运⾏模式两类。

光⼦⼊射到APD内部引发雪崩，产⽣微弱雪崩电流脉冲。

探测器内部处理电路采⽤跨导放⼤器将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放⼤、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲，探测器有脉冲输出表⽰检测到了输⼊单光⼦或微弱光脉冲，⽽脉冲前沿位置代表光⼦输⼊时刻。

光⼦输⼊事件及其发⽣事件正是量⼦信息、单光⼦雷达等应⽤关注的最重要内容，单位时间内计数值则反映了输⼊光强度。

⼊射光⼦引发雪崩发⽣后，必须尽快将雪崩淬灭，⼀⽅⾯避免雪崩管过度放电，更重要的是将雪崩管恢复到可⽤状态，能够及时检测下⼀个⼊射光⼦事件。

根据淬灭⽅式的不同，将探测器分为主动淬灭和被动淬灭两类。

通过空间耦合光内部集成了TEC，耦合光纤输⼊耦合光纤，需外部配置TEC量⼦通信主流技术是基于通信光纤的⽅案，与常规通信⼀样远距离传输必然使⽤单模光纤，例如电信基础设施建设⼴泛应⽤的G.652单模光纤。

量子通信中单光子探测器的实验研究

量子通信中单光子探测器的实验研究韩宇宏;杨树;马海强【摘要】为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2010(031)002【总页数】5页(P322-326)【关键词】单光子探测;门脉冲模式;雪崩光电二极管;量子通信【作者】韩宇宏;杨树;马海强【作者单位】北京邮电大学,理学院,北京,100876;北京邮电大学,理学院,北京,100876;北京邮电大学,理学院,北京,100876【正文语种】中文【中图分类】TN911.74;O431Abstract:In order to improve the sensitivity of single-photon detection system s,InGaAs/InP avalanche photodiode(InGaAs/InP APD)is used in the design of single photon detector of quantum communication.Single photon detector bias generation circuit in gate pulse mode,single-photonsignal amplification circuit,single photon signal detection circuit and temperature control module were realized.By selecting high-precisionOP37 preamplifier and precision comparator AD8561,quantum efficiency was increased to 18.3%,dark count was controlled within 4.1×10-6/ns. Key words:single-photon detection;gate pulse mode; InGaAs/InPAPD;quantum communication量子保密通信利用量子力学原理传送密钥,实现密钥的安全交换,为解决传统密码体制的密钥交换问题提供了理想的解决方案。

广东工业大学-InGaAs-APD特性研究及1310nm单光子探测

ｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｂｕｔｔｏｏｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｎｏｔｇｏｏｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆａｆｔｅｒｐｕｌｓｅａｎｄｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅ．Ｗｅａｌｓｏｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｕｓｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍ
越来越低。一种能够彻底防范第三者窃听的技术，己经越来越成为军事、外交、商贸等领域的迫切需要。量子保密通信是密码学和量子力学相结合的产物，它的安全性由量子力学基本原理一一测不准原理和单量子态不可克隆定理所保证，因而越来越受到人们的重视。量子通信的关键技
术之一就是红外（１３１０ｎｍ．１５５０ｎｍ）单光子探测，这是因为光量子密钥
ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｏｄａｙ＇ｓ
ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｖｅｒｙｓａｆｅ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ

量子通信中单光子探测器的研究

Ｉｎ．
ｌＯ１００ｌｏｏ
ＧａＡｓ／ＩｎＰ的Ｆ—Ｐ激光二极管．采用外触发信号。由于光谱的宽度还是比较大的．我们用光滤波器（可调波长１５３０～１５７０ｎｍ）进行滤波。在１５４８ｎｍ波长我们得到了比较满意的效果，３ｄＢ带宽为０．４９８ｎｍ。３．２单光子探测模块实验采用的探测器是单光子探测模块．内部采用半导体制冷．工作温度为一５０℃。图１是探测模块的内部结构示意图。可以看出．探测模块内部有一个时钟触发源．也可以外加触发信号．主要的器件有延迟器、
图２自触发模式实验图
置电压砜升高到（Ｋ＋ｙ脉冲），高于击穿电压％，相当
于门打开，等待光子触发。预期时间段ｆ门关无光子脉冲，ＡＰＤ两端电压回到直流偏置电压ｕ．低于击穿电
压％，相当于门关闭。雪崩后，利用交流脉冲的下降沿
将雪崩终止。在门控抑制方式中．只有门的宽度大于光脉冲宽度．才可能准确地探测到单光子信号。如果门关闭时间ｆｎ美大于捕获载流子寿命．能有效地抑制掉后脉冲．但却限制了最大计数率。若门打开时间内并没有光子到达．由于热激发或隧道效应等同样也会引入暗计数，所以广泛使用的方法是将ＡＰＤ置于低温装置中。门控抑制的最大优点是在于其能有效抑制后脉冲的发生．暗计数小．但它要求光子信号的到达时间是可以预知的．且门的宽度要大于光脉冲宽度。
门控制器和雪崩二极管．探测计数器。其中延迟器很重要．在内
图１探测模块内部示意图
⑧
！髦耄露，扭采２００７年第ｆ期
万方数据
子在ＩｎＧａＡｓ层吸收的概率：③光生载流子在倍增区触发一次雪崩的几率：④一定温度下的偏置电压。
（２）时间分辨率时间分辨率是指光生载流子穿越吸收区进入倍增去的时间．与ＡＰＤ的结构和场强的大
小有关。增大过电压（Ⅵ一Ⅷ会提高时间分辨率，但是

单光子量子安全通信技术研究

单光子量子安全通信技术探究摘要：随着信息技术的迅猛进步，通信技术的保密性问题日益突出。

传统的加密通信方法已经面临着日益增强的计算能力和寻找漏洞的攻击。

基于量子力学的安全通信技术成为了探究的热点。

单光子量子安全通信技术具有冲破传统加密方法的优势，本文将对单光子量子安全通信技术的探究进行探讨。

一、引言信息通信的快速进步对通信技术的安全性提出了新的要求。

传统的加密通信方法在面对快速进步的计算能力时逐渐暴露出一系列问题，被攻击的几率也逐渐增加。

而基于量子力学的单光子量子安全通信技术则导致信息的传输变得更加安全可靠。

二、单光子量子安全通信基本原理单光子量子安全通信技术是基于量子力学的通信技术，利用量子隐形传态和量子纠缠等原理实现高速、安全的信息传输。

单光子量子通信系统主要由发送端、传输通道和接收端三个部分组成。

1. 发送端：发送端利用光子源产生、调控和操纵单光子，将要传输的信息编码到光子上，并进行加密处理。

2. 传输通道：光子在传输通道中与传输介质互相作用，依据量子力学规律，光子的相关信息会实时地传输到接收端。

3. 接收端：接收端利用光子探测器检测接收到的光子，然后利用量子解密算法将加密后的信息还原。

三、单光子量子安全通信的特点相较于传统的加密通信方法，单光子量子安全通信技术具有以下特点：1. 肯定安全：依据量子力学的原理，单光子传输过程不行被窃取或窃听，保证了信息的肯定安全。

2. 冲破计算能力限制：单光子量子安全通信技术利用了量子纠缠和量子隐形传态等原理，冲破了传统计算能力对加密解密速度的限制。

3. 抗干扰能力强：单光子传输过程中，光子与环境的互相作用极少，因此对于环境干扰具有很强的抗干扰能力。

4. 高效性：单光子量子安全通信技术可以实现高速的信息传输和加密解密，可以满足现代社会对通信的高效需求。

四、单光子量子安全通信技术的应用前景单光子量子安全通信技术在信息通信领域具有宽广的应用前景： 1. 军事通信：军事通信需要保密性和安全性，单光子量子安全通信技术可以提供肯定安全的通信环境，成为军事领域中的重要应用。

单光子探测与量子密钥分发研究进展

单光子探测器性能比较
暗计数与单光子探测效率比 <6×10-5 暗计数: 1.8--2.9×10-6/pulse, 量子效率：>5.0% 尖峰噪声平衡优于-23dB 最小脉冲门宽 2.0ns
2004年9月专家鉴定测试结果
自行研制单光子探测器
暗计数与单光子探测效率比 <7.5×10-4 *
最小脉冲门宽 2.5ns。
通信光纤中长期稳定的单光子偏振编码
In-line Polarization Controller Insert loss <0.5 db Sampling rate: 1 MHz ±0.25o accuracy in Poincare Sphere Control of Polarization State： Polarization coding is Possible.
单光子非线性频率转换
单光子频率上转换探测
InGaAs APDs: Low quantum efficiency High dark noise Large after pulse Upconversion detection: 1.55 + 1.064 (pump)—> 0.631
Si APDs: Good quantum efficiency Low dark noise Small after pulse
EPC WDM
PBS delay PMB 50/50
piezo
D1
EVOA
Pin Det TCP/IP CLK D3 PC
50/50 D2
PC
Alice
Bob
单向量子密钥分发系统的特性
Alice/Bob端光脉冲单次通过；采用非对称的保偏光纤型M-Z干涉；确保同偏振方向干涉；不同路径光强度可控制调节、可提高干涉对比度、减低误码率；长距离光纤的偏振变化不影响单光子编码；偏振抖动可反馈控制；采用自行研制的单光子探测仪：通信距离可望达到150公里。

光学通信中的单光子探测技术研究

光学通信中的单光子探测技术研究光学通信是一种利用光来传输信息的技术，它具有传输速度快、带宽大等优势，在现代通信领域占据重要地位。

然而，在实际应用中，由于光信号弱、光噪声大等问题的存在，需要一种高灵敏度的光学探测器来实现可靠的信号检测和解调。

单光子探测技术作为一种高灵敏度的检测方法，在光学通信中具有广阔的应用前景。

单光子探测技术是指可以对单个光子进行探测的技术。

由于光子的能量非常小，传统的光电探测器往往无法精确地检测到单个光子的存在，因此需要更加灵敏的探测器。

单光子探测技术主要依靠光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）等器件实现。

光电倍增管是一种广泛应用于光学探测中的器件，它能够将入射的光子转化为电子，并通过级联的倍增过程将电子数目放大，从而提高光子信号的灵敏度。

光电倍增管在光学通信中的应用主要体现在高速数据传输和量子通信中。

由于其具有高增益、低噪声的特点，使得光电倍增管成为实现高速光通信的重要探测器。

单光子雪崩二极管是一种基于雪崩击穿效应工作的器件，具有高增益、高速度、低噪声的特点。

光信号经过单光子雪崩二极管时，当一个光子被吸收，能量将被放大至一个足够大的水平，从而可以被检测到。

单光子雪崩二极管在光学通信中广泛应用于高速光通信、量子通信、光纤传感等领域。

随着科学技术的不断发展，单光子探测技术也在不断完善和创新。

例如，近年来出现的超导单光子探测器（SSPD）结构更加简单，探测效率更高，可以在更宽的波长范围内工作。

此外，基于光子晶体的单光子探测器也具有较高的检测效率和低噪声性能，在光学通信中展现出巨大的潜力。

然而，单光子探测技术仍然面临一些挑战。

首先，单光子探测器需要具备高探测效率和低噪声的特性，以实现可靠的单光子检测。

其次，单光子探测技术需要解决光子损耗、光损伤等光学传输中存在的问题，以提高光学通信的传输效率和可靠性。

此外，单光子探测技术在受到大气湍流等环境干扰时也需要进一步提高抗干扰能力。

通讯波段单光子探测器的研制

维普资讯
量子光学学报１（）１－５２０３１：６６，０７
Ａｔｉｃ￣ａｕｐｉｃＳｎａＱａｔｍＯｔａａｉｃ
文章编号：１０－５（０７０４０１００７６４２０）１）６－６５
的方法研制一种混合型的ＡＤ，中以ＩＧＡｓ为Ｐ其ｎａ作
收稿日期：２０－－６０５８００
基金项目：国家重大基础性研究项目（０１Ｂ０３１；国家自然科学基金（０２５３和中科院创新基金的资助。２０Ｃ３９０）６１１０）作者简介：刘云（９９）男，１７－，湖北孝感人，中国科学技术大学博士研究生，研究方向：单光子探测。
尖峰噪声，了通信波段１５的单光子探测。在ＡＤ工作温度为２３Ｋ时，实现５０ｍａＰ２测得暗计数率与探测效率的比
值为００５．３。关键词：雪崩光电二极管；盖革模式；雪崩淬灭；单光子探测
中图分类号：Ｏ３４１文献标识码：Ａ
通讯波段单光子探测器的研制
刘云，韩正甫’ 吴青林，戴逸民，郭光灿，
（中国科学技术大学，中科院量子信息重点实验室，徽合肥２０２）安３０６
摘将Ｉａｓｎ雪光二管用盖模下，用门模式灭雪并用魔Ｔ网抑制要：ｎＡＩ崩电极应于革式采脉冲淬崩，傅Ｇ／Ｐ混合络
ｔ通讯联系人：ｚａ＠ｕｔ．ｄ．ｎｔｎｓｅｕｃｈｃ

单光子探测用于光子统计测量的研究

论文第49卷第8期 2004年4月 727单光子探测用于光子统计测量的研究肖连团降雨强赵延霆尹王保赵建明贾锁堂(山西大学物理电子工程学院, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006. E-mail: xlt@)摘要实验研究了通过记录每一个光子事件直接测量微弱脉冲激光(平均光子数n ≈0.1, 脉冲持续时间10ns)的Mandel 参数. 在基于Hanbury-Brown-Twiss 探测结构, 取样时间内每个单光子计数器最多探测到一个光子的情况下, 测量发现低于阈值电流工作的二极管激光呈Super-Poisson 统计分布. 另外验证了工作于远高于阈值电流的二极管激光(强度噪声主要为散粒噪声)的Poisson 分布相干态的Mandel参数 Q C 约为−n /2. 在测量误差内, 实验结果与理论分析一致.关键词光子统计 Mandel 参数死区时间单光子计数器 Poisson 分布辐射源的光量子态特性对于研究近代量子光学中光与物质的相互作用具有重要意义. 对光量子态的严格表述需要密度算符或Wigner 函数, 但是这些参数在通常的实验条件下难以测量[1]. 为了进行光场的非经典特性研究, 通常利用基于经典电磁场理论的Hanbury-Brown-Twiss (HBT)结构形式[2] 测量光子统计分布. 通过50/50光分束器把光束分为两束, 其中一束经过一个可调变的时间延迟装置, 由两个光电探测器分别接收后进入相关器进行处理, 从而获得两束光强度涨落的关联特性. 这种光子统计测量的方法是单光子源如单原子[3]、单分子[4]和量子点[5]研究中的重要测量手段, 同时在分子生物学[6]和生物化学[7]等学科领域有着广泛的应用.分析光子统计特性普遍采用对二阶关联函数的测量, 即通过测量一定时间内的光子数和两通道光子事件之间的时间间隔[8], 利用时间幅度转换得到的峰值大小确定光子源的光子分布概率P S (n ; n = 0, 1,2), 计算Mandel 参数Q . 但是这种开始-停止的测量方法不能给出光子数在时域上的起伏变化, 同时不能准确给出光子统计概率. 最近Roch 小组[4]通过记录两个单光子计数器响应触发式单分子光源输出的每一个事件, 由大量光子计数事件获得统计分布概率P S (n ), 直接测量Mandel 参数Q. 利用单光子计数器在死区时间(数十至数百纳秒)不对光子响应的特点,即在测量过程中单光子计数器首先对第1个到达的光子信号响应, 而对后续死区时间到达的光子没有反应, 使得在小于死区时间的取样时间内对每次光脉冲触发信号事件最多只能探测到一个光子. 研究得到基于HBT 形式的单光子探测对具有Poisson光子统计的相干态光脉冲的Mandel 参数 Q C = −n /2, n 为平均光子数, 通过比较测得Q 与Q C 的大小分析单分子光源的光子统计分布特性. 单光子态的量子信息传输是量子密钥分配的物理基础[9]. 在量子密钥分配的实际应用方案中[9,10], 人们通常认为单模二极管激光的光子统计分布特性服从相干态Poisson 分布, 通过不断衰减二极管激光强度以降低双光子和更多光子的分布概率, 把具有超低平均光子数(远小于1)的相干态近似为单光子态. 这里我们采用直接测量Q 参数的方法研究单模二极管激光脉冲的光子统计分布特性. 通过测量比较连续二极管激光工作于不同驱动电流下强度噪声中的过剩噪声与散粒噪声基准, 研究二极管激光分别工作于阈值电流、强度噪声主要为过剩噪声和远高于阈值电流工作时强度噪声为散粒噪声基准的情况下经脉冲调制和强衰减后(脉冲持续时间10 ns, 平均光子数n ≈0.1)的光子统计分布, 并首次给出了这种测量方法的误差分析. 1 基于HBT 结构的单光子探测与光子统计特性为了研究光子数随时间的起伏变化, 我们首先给出W 个取样周期内光子数随时间的起伏, 定义归一化相对涨落V W , V W ＜(Än )2＞W /＜n ＞W , (1) 这里＜(Än )2＞w 21()/,W i W i n n W =−∑<> n i 是第i 个脉冲激发时探测到的光子数, ＜n ＞W 是W 个激发周期内探测到的平均光子数. 对于＜n ＞W = 0, V W 定义为1. 对于光电计数为Poisson 分布时 V W = 1, 相应V W < 1为Sub-Poisson 分布, V W > 1为Super-Poisson 分布. 如图1所示. 如果考虑全部采样事件, 测量结果对应单一相对涨落V . 为了分析光子统计分布, 我们采用Mandel第49卷第8期 2004年4月论文 728 参数Q ≡ V − 1=＜(∆n )2＞/＜n ＞ − 1. (2)Q 为任意光子源的Mandel 参数, ＜n ＞是全部采样周期探测到的平均光子数. Poisson 统计分布对应 Q= 0, 而Sub-Poisson 和Super-Poisson 统计相应为负值和正值.我们把探测器的非理想量子效率以及其它光学损耗对测量结果的影响视为对入射光场的衰减, 而衰减后的相干光仍然是相干光.图1 光子统计分布随V W 和Q S 的变化假设探测器在每个激发周期内平均获得 á 个光子, 那么相干态光子数统计分布满足().!n a a P n e n −= (3)对于HBT 测量形式, 如果取样时间T s 、单光子探测器死区时间T d 和激发脉冲周期T m 满足T s < T d <T m , 那么在每一个取样周期每一个单光子探测器最多探测到一个光子. 由统计规律, 对于Poisson 光子统计分布相干场C 的光子数统计概率[4]如下:P C (0) = P (0) = e −á, (4)P C (1) = P (1) + 1/2P (2) + 1/4P (3) +… 111()2k k P k ∞−===∑2e −á/2(1 − e −á/2), (5)P C (2) = 1/2P (2)+3/4P (3) + (11221)()2k k k P k −∞−=−==∑ (1 − e −á/2)2, (6)P C (n , n > 2) = 0. (7)可得到每一个取样周期的平均光子数 n = P C (1) + 2 P C (2) = 2 (1 − e −á/2), (8)由(2)式获得相应Mandel 参数Q C = [P C (0) × n 2 + P C (1) × (n − 1)2+ P C (2) × (n − 2)2]/n − 1= e −á/2 − 1 = −n /2. (9)可见, 由于单光子探测器死区时间的影响, 一些高阶P C (n , n >2)的信息在测量过程中被丢失, 相干态的光脉冲具有Sub-Poisson 光子记数统计特性, 对应Mandel 参数的测量结果Q C = −n /2 < 0. 对于平均光子数为S n 的任意光子源S 的Mandel 参数 Q S = [P S (0)×S n 2 + P s (1) × (S n − 1)2 + P s (2) × (S n − 2)2]/S n − 1. (10) 如图1所示, 对应任意光子源的Sub-Poisson 和Super-Poisson 光子统计特性分别为Q S < −S n /2和Q S > −S n /2. 2 测量结果的分析与讨论实验采用量子阱结构0.78 µm 的单模激光二极管 (Hitachi, HL7851G), 阈值电流为 40 mA. 图2 是基于平衡探测测量在强度噪声5 MHz 处得到的激光过剩噪声随工作电流的变化特性. 图2 激光强度的过剩噪声随工作电流I /I th 的变化特性 I th = 40 mA. 测定频率为强度噪声功率谱的5 MHz 位置. 插图: 曲线1为强度噪声功率谱, 曲线2是散粒噪声基准, 曲线3是探测器电子噪声, 激光二极管的工作电流为97 mA (I /I th = 2.35) 过剩噪声N e =N d − N s − N e , 第1项N d 是总强度噪声, 第2项N s 为散粒噪声, 最后项为电子噪声N e . 由于电子噪声低于散粒噪声基准16 dBm/Hz 1/2, 因此忽略不计, 如附图2中插图所示. 我们发现工作电流越大, 激光过剩噪声越小. 当工作电流大于 2.75 × I th , 过剩噪声近似为0, 即强度噪声达到散粒噪声基准. 图3为基于HBT 结构进行微弱二极管激光光子统计测量的实验装置示意图. 由脉冲信号发生器 (SRS, DG535) 驱动的功率放大器输出的电子脉冲对二极管激光器进行电流调制. 强衰减后的光脉冲经过50/50的非偏振光分束器(分光比误差约为1%)后分别入射到两个单光子探测器(雪崩二极管, EG&G SPCM-AQR-15), 探测器在0.78 µm 处的量子效率65%, 平均暗记数为50个/s. ns量级时间延迟器论文第49卷第8期 2004年4月 729 (DB463)用来补偿两探测通道的时间差异. 采用快速双通道时间间隔分析仪TIA (GuideTech, ModelGT653, 采样时间为75ps)记录两个探测器响应输出的每一个事件.图3 基于 HBT 结构的相干光光子统计测量实验装置LD: 激光二极管; A: 可调光衰减器; BS: 50/50非偏振分束器; SPCs: 单光子计数器; TD: ns 时间延迟器; TIA: 时间间隔分析仪; PC: 计算机实验系统中探测通道的死区时间为250 ns, 主要由探测器雪崩过程的死区时间造成. 激光二极管的电流调制频率为 2 MHz, 以保证激发周期大于探测系统的死区时间. 输出光脉冲的脉冲宽度约为10 ns, 周期为500 ns. 为了保证在每个取样周期每个探测器最多探测到一个光子, 选择取样时间为100 ns. 通过调节光衰减器(密度滤光盘), 使得测量得到的平均光子数为n ≈0.1, 对应每个单光子探测器的计数值约为0.1 MHz. 首先, 我们研究激光器在脉冲持续时间的工作电流远高于阈值电流I e = 3I th = 120 mA 时的情况. 典型测量结果是在大约149 ms 的时间内, 对应299613脉冲激光周期, 记录获得31356个光子事件, 其中包括29732个单光子事件和812个双光子事件, 其余为零光子事件, 高于双光子事件的记录为0. 从而计算出每一个光脉冲中的零光子概率P (0) = 0.8981, 单光子概率P (1) = 0.09923, 双光子概率P (2) = 2.71 × 10−3, 每一个探测周期的平均光子数S n = 0.1046. 由(10) 式得出相应Mandel 参数Q = V − 1 =−0.05286. 由(4)~(9) 式理论结果对应给出具有相同平均光子数的Poisson 光子统计分布的相干态C T 1具有的零光子概率P (0) = 0.8981, 单光子概率P (1) = 0.09912, 双光子概率P (2) = 2.73 × 10−3, Q C = −S n /2 = −0.05230. 理论与实验结果对比见表1. 比较分析理论和实验结果, 发现实验测得相干光的光子统计规律Mandel 参数Q 小于理论分析Poisson 分布得到的Q C , 误差大约1%. 与文献[4]对钛宝石飞秒激光测量得到Q 略小于Q C 的结果一致. 测量误差的主要来源为光分束器的非理想50/50分光比. 当分光比误差为1%, 有大约 1% × [P (1) + P (2)]× P (2)/P (1) = 8 个双光子事件被误测为单光子事件,由(10)式可以推出实测Q 与理论Q C 的误差约为1%.由于实测双光子事件总是小于真实值, 而单光子事件总是大于真实值, 因此实际测量得到的Q 小于Q C .这里探测器的暗记数值与探测到的光子事件相比仅为10−4, 对Q 测量结果的影响小于0.1%, 故忽略不计.在这里探测器的量子效率以及其它光学损耗的作用仅仅是对入射光场的衰减, 对Q 值的测量结果没有影响.考虑到测量误差, 这种激光器工作在脉冲持续时间的电流远高于阈值电流的状态是一种理想的Poisson 统计的相干源.当激光器工作在脉冲持续时间的电流为阈值电流 I e = I th = 40 mA (过剩噪声约15 dBm/Hz 1/2)的情况时, 测量获得每一个光脉冲中的零光子概率P (0) =0.9016, 单光子概率P (1) = 0.09577, 双光子概率 P (2) 表1 微弱脉冲激光工作在I e = 3I th , I e = I th 和I e = 0.9I th 时的光子计数概率P (n )与Mandel 参数Q a) TypeP (0) P (1) P (2) n Q = V − 1 I e =3I th0.8981 0.09923 2.71 × 10−3 0.1046 −0.05286 C T 10.8981 0.09912 2.73 × 10−3 0.1046 −0.05230 I e =I th0.9016 0.09577 2.59 × 10−3 0.1009 −0.04963 C T 20.9016 0.09581 2.54 × 10−3 0.1009 −0.05045 I e =0.9I th0.9027 0.09211 2.56 × 10−3 0.09722 −0.04459 C T 3 0.9051 0.09249 2.36 × 10−3 0.09722 −0.04861a) 测量得到不同工作电流下微弱脉冲激光的每一个周期探测到的光子计数概率P (n )平均光子数n 以及Mandel 参数Q = V − 1的测量结果. 对应给出具有相同平均光子数 n 时, 由(4)~(9)式得到Poisson 分布相干态C T 1, C T 2和C T 3的理论结果.第49卷第8期 2004年4月论文 730 = 2.59 × 10−3. 每一个探测周期得到的平均光子数S n = 0.1009, Mandel 参数Q = V − 1 = −0.04963. 对应具有相同平均光子数的相干态C T 2的Mandel 参数Q C = −n /2 = −0.05045. 虽然实验结果Q 大于Q C , 但是两者相对误差仅为1%. 可见阈值电流工作的激光器仍然为近似Poisson 分布.另外, 我们还测量了激光器在脉冲持续时间的工作电流低于阈值电流I e = 0.9I th = 36 mA 的情况, 这时强度噪声主要为过剩噪声. 测量获得每一个光脉冲中的零光子概率P (0) = 0.9027, 单光子概率P (1) = 0.09211, 双光子概率P (2) = 2.56 × 10−3. 每一个探测周期得到的平均光子数S n = 0.09722, Mandel 参数Q = V − 1 = −0.04459. 对应具有相同平均光子数的相干态C T 3具有Q C = − S n /2 = −0.04861. 我们发现实际测量结果Q 与理论值Q C 相比, 增大了10%, 可见低于阈值电流工作的激光器为Super-Poisson 分布. 研究结果表明激光的过剩噪声决定其光子统计分布. 3 结论实验研究了不同工作电流下二极管激光的光子统计分布特性. 在取样时间内每一个单光子探测器最多探测到一个光子时, 通过实时采集单光子计数器响应输出的每一个事件得到光子分布P (n )(n = 0, 1,2)的分布概率直接测量Mandel 参数. 利用微弱二极管激光Mandel 参数Q 的测量值与具有相同平均光子数n 的相干态的Mandel 参数C S /2Q n =−的比较结果, 分析二极管激光的光子统计分布. 采用HBT 结构, 测量得到低于阈值电流工作(强度噪声主要为过剩噪声)的二极管激光为Super-Poisson 统计分布; 阈值电流工作的激光为近似Poisson 分布; 相应远高于阈值的驱动电流(强度噪声为近散粒噪声基准)工作状态下呈现Poisson 分布. 结果表明不同工作电流下二极管激光具有不同的光子统计分布特征, 过剩噪声是影响激光光子统计分布的主要因素. 研究分析了光分束器的非理想50/50分光比产生约1%的测量误差, 表明由于实测双光子事件小于真实值同时单光子事件大于真实值, 导致实际测量得到的Q 总是小于其真实值. 研究结果可以应用于进行量子密钥分配[9,10] 的微弱相干光光子统计特性分析或其它各种脉冲辐射源[11,12]的Sub-Poisson 或Super- Poisson 光子统计分布的研究.致谢感谢法国国家科学中心Cachan 高师的F. Treussart 博士和J. -F. Roch 教授与作者就单光子探测进行的有益讨论. 本工作为国家自然科学基金(批准号: 10174047和60378004)、山西省留学归国人员基金及人事部留学人员科技活动择优资助项目. 参考文献 1 Tanabe T. Photon statistics of various radiation sources. Nucl Instr and Meth A, 1998, 407: 251～256 2 Hanbury B R and Twiss R Q. Correlation between photons in two coherent beams of light. Nature, 1956, 177: 27～29 3 Brattke S, Varcoe B, Walther H. Generation of photon number states on demand via cavity quantum electrodynamics. Phys Rev Lett, 2001, 86(16): 3534～3537 4 Treussart F, Alleaume R, Le Floc’h V, et al. Direct measurement of the photon statistics of a triggered single photon source. Phys Rev Lett, 2002, 89(9): 093601 5 Santori C, Pelton M, Solomon G, et al. Triggered single photons from a quantum dot. Phys Rev Lett, 2001, 86(8): 1502～1505 6 Rigler R. Fluorescence correlation, single molecule detection and large number screening: applications in biotechnology. J Biotechnol, 1995, 41: 177～186 7 Castro A and Shera E B. Single-molecule detection: applications to ultrasensitive biochemical analysis. Appl Opt, 1995, 34(18): 3218～3222 8 Brunel C, Lounis B, Tamarat P, et al. Triggered source of single photons based on controlled single molecule fluorescence. Phys Rev Lett, 1999, 83(14): 2722～2725 9 Gisin N, Ribordy G, Tittel W, et al. Quantum cryptography. Rev Mod Phys, 2002, 74(1): 145~195 10 Kuhn A, Hennrich M, and Rempe G. Deterministic single-photon source for distributed quantum networking. Phys Rev Lett, 2002, 89(6): 067901 11 Cao H, Ling Y, Xu J Y, et al. Photon statistics of random lasers with resonant feedback. Phys Rev lett, 2001, 86(20): 4524～4527 12 Yang H, Xie X S. Statistical approaches for probing single molecule dynamics photon-by-photon. Chem Phys, 2002, 284: 423～437 (2003-05-30收稿, 2003-11-09收第1次修改稿, 2004-03-01收第2次修改稿)。

量子光学中的单光子源与单光子检测研究

量子光学中的单光子源与单光子检测研究量子光学是一门研究光与物质相互作用的学科，它涉及到光的量子性质和光与物质的相互作用规律。

在量子光学中，单光子源和单光子检测是两个关键的研究领域。

本文将分别介绍单光子源和单光子检测的研究进展和应用。

一、单光子源的研究单光子源是指能够发射一个光子的光源。

在量子通信和量子计算等领域，单光子源是实现量子信息传输和处理的基础。

目前，研究人员已经提出了多种实现单光子源的方法，包括自发辐射、荧光材料和非线性光学效应等。

自发辐射是最常见的一种实现单光子源的方法。

通过激发原子或分子，使其跃迁到激发态，然后自发辐射一个光子回到基态，从而实现单光子的发射。

这种方法的优点是实现简单，但是由于自发辐射的概率较低，单光子的发射效率较低。

荧光材料是另一种实现单光子源的方法。

通过将荧光材料与激光器相结合，可以实现单光子的发射。

荧光材料的优点是单光子的发射效率较高，但是由于材料的固有性质，单光子的频率和波长往往是固定的，限制了其在量子通信和量子计算中的应用。

非线性光学效应是实现单光子源的另一种重要方法。

通过将光束经过非线性光学材料，可以实现光子的非线性相互作用，从而实现单光子的发射。

非线性光学效应的优点是可以实现单光子的可调谐性，即可以调节单光子的频率和波长，从而满足不同应用的需求。

二、单光子检测的研究单光子检测是指能够探测到单个光子的检测器。

在量子光学中，单光子检测是实现光子的精确探测和测量的基础。

目前，研究人员已经提出了多种实现单光子检测的方法，包括光子计数器、超导单光子探测器和单光子增强器等。

光子计数器是最常见的一种实现单光子检测的方法。

通过将光子与光电二极管相结合，可以实现对单个光子的计数和测量。

光子计数器的优点是实现简单，但是由于光电二极管的暗计数和噪声等因素的存在，单光子的探测效率较低。

超导单光子探测器是另一种实现单光子检测的重要方法。

通过将超导材料与光电二极管相结合，可以实现对单个光子的高效探测和测量。

单量子态的探测及相互作用

单量子态的探测及相互作用单量子态的探测及相互作用是量子信息科学领域的一个重要课题，它涉及到如何精确地探测和操控单个量子态，以及如何实现量子态之间的相互作用。

在量子信息领域，量子态的探测和相互作用是实现量子计算、量子通信和量子模拟等应用的基础。

首先，对于单量子态的探测，通常采用的方法包括单光子探测、单电子探测和单离子探测等。

其中，单光子探测是最常用的方法之一。

单光子探测技术主要通过光子探测器，如光子倍增管、单光子探测器等，来实现对单个光子的探测。

通过单光子探测技术，可以实现对单量子态的高效探测和测量，为量子信息处理提供了重要的支持。

其次，对于单量子态之间的相互作用，常用的方法包括量子门操作、量子控制和量子测量等。

量子门操作是量子计算中的基本操作，通过对量子比特施加不同的门操作，可以实现量子态之间的相互作用和量子信息的处理。

量子控制是指通过控制量子态的演化过程，实现量子态的操控和相互作用。

量子测量是量子态相互作用的一种重要方式，通过测量量子态的性质，可以实现量子态的判定和控制。

在实际的量子信息处理中，单量子态的探测和相互作用是非常关键的环节。

通过精确探测和操控单量子态，可以实现量子比特的初始化、操作和测量，从而实现量子信息的传输和处理。

同时，单量子态的探测和相互作用也是量子通信和量子计算等量子信息应用的基础，对于实现量子信息的安全传输和高效处理具有重要的意义。

总的来说，单量子态的探测及相互作用是量子信息科学领域的重要课题，它涉及到量子态的探测、量子态之间的相互作用和量子信息的处理等方面。

通过对单量子态的精确探测和相互作用的研究，可以为量子信息的应用和发展提供重要的支持，推动量子信息科学的发展和应用。

单光子探测器能够探测到光的最小能量量子

单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。

单光子探测器可对单个光子进行探测和计数，在信号强度仅为几个光子能量级的条件下，单光子探测器的作用十分巨大。

（资料图）光子，是光的最小能量量子。

单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。

有关专家认为，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式。

隐身飞机将无处“隐身”。

F－22、B－2等飞机高超的隐身性能，几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。

但单光子探测系统极高的探测灵敏度，即使对F－22、B－2这样的隐身飞机，作用距离也可达到几百到几千公里，可在极远距离上发现隐身飞机，使其“无处遁形”。

空战将从“中距”拉向“远距”。

配装单光子探测系统的作战飞机，由于对空目标探测距离极远，将使空中作战从目前的中距进一步扩为远距。

如：配挂单光子超远程空空导弹，火力攻击距离可达到几百到几千公里之外。

空中战争将从传统的几十公里的超视距作战变为间隔几千公里的非接触战争。

“全球感知，全球打击”成为可能。

利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统，构建单光子探测网络，只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。

在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网，把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统，可对任何位置（地面或空中）发射的导弹进行目标指引，有效攻击全球目标，实现“全球感知，全球打击”。

（曾尧徐文）中国专家谈单光子探测技术：千里外就可发现F-222012年04月19日09:39来源：解放军报字号:T|T9853人参与0条主评论637条评论0条总评论打印转发新一代战机为抗衡隐身战机，已普遍装备了IRST装置。

图为装备IRST的歼-10 B。