1. 课程导入与单光子光源概述

单光子光源，顾名思义，是一种能够在需要时按需产生“一个光子”的器件或系统。它并不是把普通激光简单衰减到极弱就能替代的——衰减激光得到的是相干态，其光子数服从泊松分布，任意时刻都可能出现两个或更多光子，只是概率被压低而已。真正的单光子源要求每次触发后，光子数分布严格集中在 n=1 上，这就是所谓“单光子性”。理解这一点，是进入本课程的第一道门槛。

要评价一个单光子源好不好，工程上通常围绕四个核心指标展开。第一是单光子性，用二阶关联函数 g²(0) 衡量，理想单光子源 g²(0)=0，实际器件要求 g²(0) 明显小于 0.5 才算跨过“非经典”门槛。第二是不可分辨性，用 Hong-Ou-Mandel 干涉可见度 V 衡量，它反映两个先后产生的光子在全同模式下能否真正“不可区分”，理想值趋近 1。第三是效率，包括产生效率、收集效率、耦合到光纤的效率以及探测端的总效率，最终体现为“每触发一次能收到几个可用光子”。第四是纯度，指目标光子态在频谱、偏振、空间模式上的单一程度，纯度不足会直接拉低不可分辨性。这四个指标彼此牵制：提高亮度往往带来多光子成分，追求高纯度又可能牺牲效率，方案设计本质上是在约束下做权衡。

典型应用场景决定了指标该往哪个方向偏。量子密钥分发（QKD）最看重单光子性和低多光子概率，因为多光子脉冲会引入光子数分离攻击的风险；量子计算中的线性光学方案则对不可分辨性和效率极为敏感，光子不可分辨性差会直接降低双光子干涉的成功率；量子传感，例如基于单光子探测的激光雷达或痕量测量，更关注探测效率和时序稳定性。下表给出一个示例性的指标侧重，数值仅用于教学说明，并非实测结论。

从实现路线看，常见方案包括自发参量下转换（SPDC）、自发四波混频、量子点、色心（如 NV 色心）以及原子系综等。SPDC 易于实现、室温工作，但本质是概率性产生，需要借助 heralding（预报）来标记光子存在；量子点接近“按需”发射，单光子性好，但往往需要低温且耦合效率是难点。本课程后续会逐一展开这些方案的物理机制、器件选型与参数调试。

本课程的整体学习路径按“先建立评价语言，再进入方案与实现，最后落到测量与项目”的顺序组织。第一阶段解决“用什么指标说话”，把 g²(0)、HOM 可见度、效率与纯度的定义、测量方法和判据讲清楚；第二阶段进入具体方案，比较 SPDC、量子点等路线的物理机制与工程限制；第三阶段做光路与器件设计，包括泵浦、滤波、光纤耦合、探测链路；第四阶段是参数调试与性能测量，学会从符合计数、符合直方图中读出 g²(0)，从 HOM 干涉凹陷读出可见度；最后以一个完整的项目任务收束——给定应用场景与指标约束，完成方案选型、光路搭建思路、参数设定与性能评估报告。

项目任务将贯穿全程，建议在开始时就选定一个目标场景（例如“面向 QKD 的预报单光子源”），后续每章的方案分析、参数计算和测量练习都围绕它展开，最终形成一份可自洽的性能评估。这样，零散的知识点会被一条真实的工程线索串起来，而不是停留在概念记忆层面。