2. 单光子源基础
在量子通信系统中，信息的载体不再是经典通信中强激光脉冲所代表的“0/1”能量状态，而是单个光子所携带的量子态。单光子源是量子密钥分发、量子隐形传态、线性光学量子计算等应用的核心器件。理解单光子源，需要从“单光子到底是什么”“如何产生”“怎样评价好坏”以及“它在量子通信中承担什么角色”四个层面逐步展开。
一、单光子概念：从能量量子到量子态载体
光子是电磁场的能量量子。一个频率为 ν 的光子具有能量 E = hν，其中 h 为普朗克常数。所谓“单光子”，是指一个光脉冲或一个时间窗口内平均包含一个光子，且光子数分布被严格控制在 0 或 1 的量子态上。理想单光子源输出的态可写为 |1⟩，即光子数确定态。与之相对，衰减激光产生的所谓“弱相干态”满足泊松分布，其光子数概率为 P(n)=e^{-μ}μ^n/n!。当平均光子数 μ=0.1 时，P(0)≈90.5%，P(1)≈9.0%，P(2)≈0.45%。这意味着即使把激光衰减到极弱，仍存在约 0.45% 的双光子概率，这正是光子数分离攻击的物理基础。
因此，单光子源的关键不是“光很弱”，而是“光子数确定”。在量子通信中，单光子携带的是偏振、相位、时间-bin 等自由度编码的量子比特。例如偏振编码中，水平偏振 |H⟩ 和垂直偏振 |V⟩ 可分别表示比特 0 和 1，而 |+⟩=(|H⟩+|V⟩)/√2、|−⟩=(|H⟩−|V⟩)/√2 则用于基矢选择。单光子源的质量直接决定这些量子态能否被可靠制备、传输和探测。
二、制备方法：从衰减激光到确定性量子发射
实际系统中常见的单光子产生方式可分为三类。第一类是弱相干脉冲衰减法：用强衰减器将激光脉冲衰减到 μ≈0.1，使每个脉冲中单光子概率约 9%。这种方法设备简单、速率高，但存在多光子概率，只能配合诱骗态协议使用，属于“准单光子源”。第二类是基于非线性过程的预报单光子源：利用自发参量下转换产生光子对，探测其中一个光子（预报光子）来宣告另一个光子的存在。其优点是可通过符合计数门控降低多光子影响，但预报效率受耦合损耗和探测器效率限制。第三类是确定性单光子源，如半导体量子点、金刚石色心、原子或离子等。这类源在理想情况下每个激发周期只发射一个光子，是真正意义上的单光子源，但往往需要低温、高真空或复杂光路，工程实现难度较大。
以量子点为例，其制备通常包括：在 GaAs 衬底上外延生长 InAs 量子点，通过能带工程将载流子限制在三维纳米结构中；用连续或脉冲激光激发量子点，使其发生激子复合发射单光子；再通过微腔增强 Purcell 效应提高发射速率和收集效率。实际调试时，需要将量子点发射谱线与微腔模式对准，并利用 Hanbury Brown-Twiss 干涉仪测量二阶关联函数 g²(0) 来验证单光子特性。
三、关键指标：纯度、效率与不可区分性
评价一个单光子源，最核心的三个指标是纯度、效率和不可区分性。纯度通常用二阶关联函数 g²(0) 衡量。对于理想单光子态，g²(0)=0；对于相干态，g²(0)=1。实验上通过 Hanbury Brown-Twiss 装置将光子分成两路并用两个探测器做符合计数，若 g²(0)<0.5 即可判定为单光子源，g²(0) 越接近 0 越好。例如某量子点源在脉冲激发下测得 g²(0)=0.03，说明多光子事件被强烈抑制。
效率 η 指每个激发周期中实际可被收集、传输并探测到的单光子概率，可分解为 η = η_collect × η_transmit × η_detect。其中 η_collect 是光源发射到目标模式的比例，η_transmit 是光纤或自由空间链路损耗，η_detect 是单光子探测器效率。若量子点发射效率为 0.8，光纤传输效率 0.9，探测器效率 0.7，则总效率约 0.504。效率直接决定量子密钥分发的成码率。
不可区分性描述两个独立光子在全同条件下是否完全一致，常用 Hong-Ou-Mandel 干涉可见度 V 表示。理想不可区分光子的 V=1，实际源通常在 0.8～0.99 之间。V 越高，量子隐形传态和线性光学量子门的保真度越高。若两个光子存在频率差、时间抖动或偏振差异，V 会显著下降。因此，确定性单光子源往往需要光谱滤波、时间同步和偏振控制来提升不可区分性。
四、在量子通信中的作用与工程取舍
在量子密钥分发中，单光子源决定了系统的安全性和成码率。使用弱相干源时，必须采用诱骗态方法估计单光子计数率，以抵御光子数分离攻击；使用预报单光子源时，符合计数可有效降低多光子影响，但成码率受预报效率限制；使用确定性单光子源时，理论上可获得最高安全性和最高成码率，但工程实现复杂。实际系统常根据传输距离、成本和速率要求进行折中。
综上，单光子源是量子通信的“心脏”。理解单光子概念、掌握三类制备方法、明确纯度/效率/不可区分性三个关键指标，并能在实际系统中根据需求做出合理取舍，是进一步学习单光子探测、量子编码和量子中继的基础。