2. 光子源与单光子制备

单光子干涉实验的第一步，是获得“足够像单光子”的光。这里的“单光子”并不是指某个绝对只含一个光子的理想态，而是指在探测时间窗内，光子数统计接近 Fock 态 |1⟩、二阶关联函数 g⁽²⁾(0) 明显低于 0.5、且光子间具有高度不可区分性的光源。制备路线不同，纯度、亮度、不可区分性与工程复杂度也各不相同。本节围绕自发参量下转换、量子点单光子源、衰减激光源三条主流路线，以及光子数分辨探测与单光子纯度表征方法展开。

一、三条主流单光子源路线

自发参量下转换（SPDC）。在非线性晶体（如 BBO、PPKTP）中，一束泵浦光以频率 ω_p 入射，以极小概率分裂为信号光 ω_s 与闲频光 ω_i，满足 ω_p = ω_s + ω_i 与动量守恒。由于光子成对产生，探测到闲频光子即可“宣告”信号光路上存在一个光子，这就是预报式单光子源（heralded single-photon source）。其优点是可在室温工作、波长可通过相位匹配灵活设计；缺点是产生是概率性的，且多对产生会引入高阶光子数污染。典型实验中，若每脉冲平均光子对数为 μ，则零对概率约 e^(−μ)，一对概率约 μe^(−μ)，两对概率约 μ²e^(−μ)/2。为压低 g⁽²⁾(0)，常把 μ 控制在 0.01～0.1 量级，代价是预报率下降。

量子点单光子源。半导体量子点（如 InAs/GaAs）具有类原子的分立能级，激子复合时发射单个光子，天然具备“一次只发一个”的特性。它属于确定性单光子源，g⁽²⁾(0) 可低至 10⁻² 以下，且通过共振荧光激发可获得高不可区分度。工程难点在于：需要低温（通常 4～10 K）、发射波长与光纤/原子跃迁匹配需精细调控、以及从激发态到单光子发射的收集效率。实际系统常配合微腔或固体浸没透镜提升收集效率。

衰减激光源。将连续或脉冲激光衰减到平均光子数 μ ≪ 1，使每个脉冲中“有光子”的概率很小。它实现简单、成本低，但光子数服从泊松分布：P(n) = μⁿe^(−μ)/n!。即使 μ = 0.1，仍有约 0.5% 的脉冲含两个及以上光子，因此 g⁽²⁾(0) = 1，无法通过二阶关联测量证明单光子性。它只适合对单光子纯度要求不高的演示或校准场景。

二、光子数分辨探测

判断光源是否“单光子”，需要能区分“一个光子”和“两个光子”的探测能力。传统单光子探测器（SPAD）只能给出“有/无”响应，无法分辨光子数。光子数分辨探测器（PNR）则通过时间复用、空间复用或超导纳米线阵列实现：

• 时间复用：用光纤延迟线把同一脉冲分成多个时间片，分别送入 SPAD，统计各时间片的响应组合，反推入射光子数。
• 空间复用：用分束器阵列把光分成多路，各路同时探测，根据同时响应的路数判断光子数。
• 超导纳米线阵列：多根纳米线并联，光子数越多，被触发的纳米线越多，可直接输出光子数信息。

在实验中，PNR 的价值在于：它能把“预报到单光子”与“预报到多光子”的事件区分开，从而在符合计数中剔除多光子污染，提升单光子纯度。

三、单光子纯度表征方法

最核心的表征量是二阶关联函数 g⁽²⁾(τ)。对于脉冲光源，常用 Hanbury Brown–Twiss（HBT）装置：将光分成两路送入两个探测器，测量两路同时响应的符合计数。定义 g⁽²⁾(0) = P(2)/[P(1)]²，其中 P(1)、P(2) 分别为单光子、双光子概率。若 g⁽²⁾(0) < 0.5，则判定为单光子源；理想单光子源 g⁽²⁾(0) = 0。

实际测量中，还需关注：

• 时间分辨：用时间相关单光子计数（TCSPC）记录两路探测的时间差直方图，中心峰面积与边峰面积之比即为 g⁽²⁾(0)。
• 背景扣除：暗计数、环境光会抬高符合计数，需先测背景再扣除。
• 不可区分性：用 Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉测量两个独立光子间的干涉可见度，可见度越高，光子越不可区分。

四、三条路线的对比与选择

选择哪条路线，取决于实验对纯度、速率、不可区分性和工程条件的综合要求。若追求高纯度与确定性，量子点是首选；若追求波长灵活与室温运行，SPDC 预报源更实用；衰减激光则仅适合作为对照或校准。

综上，单光子制备的核心逻辑是：先根据实验需求选择合适的光子源路线，再用光子数分辨探测剔除多光子事件，最后通过 HBT 测量 g⁽²⁾(0) 与 HOM 测量不可区分性来验证单光子纯度。三条路线各有取舍，理解其物理机制与表征方法，是后续干涉实验可靠性的基础。