量子通訊采用單光子傳輸，單光子如何被抓住？

量子通訊在中國發(fā)展得紅紅火火，特別有一位叫潘建偉的科學(xué)家，帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)取得了一個(gè)又一個(gè)突破，走在了世界的前列。有人歡呼，也有人反對和冷嘲熱諷。

那些反對的人主要是說，量子通訊就是扯淡，是玩概念，根本不可能實(shí)現(xiàn)。其中懷疑最大的就是單光子發(fā)射和接收，認(rèn)為光子是世界上最小的東西，到底多小至今無人知道，人類怎么可能能夠捉住一個(gè)光子發(fā)射出去呢？

但事實(shí)是，量子通訊還真的就是依靠一個(gè)個(gè)單光子傳輸，這樣才能夠獲得無法破解的保密性。但這個(gè)單光子并非某些人憑生活常識想象的那樣，像捉豆子那樣一個(gè)個(gè)捉到，再把它通過某種彈弓類裝置發(fā)射出去。

量子通訊的三大核心技術(shù)為：單光子源技術(shù)、量子編碼和傳輸技術(shù)、光子檢測技術(shù)。這其中最重要的就是“捉住”單光子，并把它傳輸出去。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？我們來分享一下。

先說說什么是光子

光子是光量子的簡稱，是傳遞電磁相互作用的媒介子，是一種基本粒子，具有規(guī)范玻色子性質(zhì)。光量子的概念是愛因斯坦于1905年首先提出，1926年由美國物理化學(xué)家吉爾伯特·路易斯正式命名。

1901年，德國物理學(xué)家普朗克發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出能量和吸收能量具有不連續(xù)性特征，提出能量是一份一份發(fā)出的能量子假設(shè)，并計(jì)算出了最小能量的常量，被稱為普朗克常量，這是量子力學(xué)的開山之作。

愛因斯坦從普朗克量子理論中得到啟發(fā)，1905年發(fā)表了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》的論文，認(rèn)為光和原子電子一樣也具有粒子性，提出“光量子”理論，完美地解釋了光電效應(yīng)，創(chuàng)立了光電效應(yīng)定律，由此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

光子具有所有基本粒子共有的特性，即波粒二象性，以波的形式傳播，且是一份一份非連續(xù)發(fā)出。光子一出生就以每秒約30萬千米真空速度運(yùn)動，永遠(yuǎn)不會停下來，因此沒有靜質(zhì)量，但有動量。每個(gè)光子能量為：E=hv=hc/λ，即能量E等于普朗克常數(shù)乘以頻率。

普朗克常數(shù)約等于6.626*10^-34J/s（焦耳/秒）；每個(gè)光子的動量為：p=E/c=h/λ。這幾個(gè)公式里的λ表示波長，c表示光速，v表示頻率，E表示能量，p表示動量。

由此可以看出，各種光子的能量是不同的，波長越短頻率越高的光子能量就更強(qiáng)，反之則更弱。光子是宇宙中數(shù)量最多的存在，無論是白天還是黑夜，在我們周圍都充滿了光子，隨便手一拍，就有無數(shù)的光子打在我們的手心手背上。

我們?nèi)祟惛惺苓@個(gè)世界完全是依靠電磁波，也就是所謂的電磁相互作用力，而光子就是電磁波的傳遞媒介，因此電磁波也可以說是光波的總稱。電磁波波長從長到短分別被人們劃分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。

這些“光波”人類肉眼只能看到可見光部分，其余波段和頻率的“光波”只能用儀器偵測。電磁波的波長從數(shù)公里到10^-30米（億億億分之一米以下）不等，無線電波（包括長波、中波、短波、微波）最長，頻率最低，能量最弱；伽馬射線波長最短，頻率最高，能量最強(qiáng)。

電磁波波速為光速，因此波長與頻率的關(guān)系遵循公式：λ=c/v或v=c/λ。

如何“捉住”一個(gè)光子

光子極小，而且極多，一支10瓦的燈泡，發(fā)出的能量約10J/s，如果這10J的能量發(fā)出的都是可見光波段的話，其波長就約在380~760nm之間，我們?nèi)ヒ粋€(gè)平均值為570nm，根據(jù)前面的公式，就可以計(jì)算出每個(gè)光子能量約為3.5*10^-19J，1個(gè)10J的燈泡每秒鐘發(fā)出的光子數(shù)就有約2.86*10^19個(gè)，就是28.6億億個(gè)光子。

光本身就攜帶能量，因此用光通訊早就是常用的方法了。但所謂量子通訊，與常規(guī)通訊的最大區(qū)別就是安全，是采用單光子傳輸，理想的單光子源就是每個(gè)脈沖中僅含1個(gè)光子。

前面說了，隨便一束光都有無數(shù)光子，科學(xué)家們?nèi)绾螐倪@么多的光子中，把光子分成1個(gè)個(gè)分發(fā)出去呢？這就需要制造單光子源的機(jī)器?，F(xiàn)代科技要制造出單光子源并不難，難的是高質(zhì)量高效率的單光子源。

理論上，只要通過不斷將一個(gè)既定能量的光脈沖不斷衰減，就能得到所謂的單光子源。如脈動激光器，每個(gè)脈沖能量都是一定的，我們知道了既定波段或頻率的光子能量，就能夠計(jì)算出每個(gè)脈沖發(fā)出的光子數(shù)量，通過采用衰減片，將光束衰減足夠的倍數(shù)，就能夠達(dá)到每個(gè)脈沖所需發(fā)出的光子數(shù)了。

如某個(gè)脈沖激光發(fā)射器，原來每個(gè)脈沖發(fā)出100萬個(gè)光子，把這束光衰減1000萬倍，這樣每個(gè)脈沖平均發(fā)射的光子就只有0.1個(gè)了，也就是10個(gè)脈沖里可能有1個(gè)脈沖會有1個(gè)光子，其他9個(gè)脈沖沒有光子，這樣這個(gè)脈沖激光器就成為單光子源了。

這種方法理論上還可以再稀釋光子倍數(shù)，如稀釋1億倍甚至10億倍，這樣，就可能在100個(gè)甚至1000個(gè)脈沖里出現(xiàn)1次2個(gè)光子現(xiàn)象，這樣似乎單光子獲得率大大提升了。

目前，實(shí)驗(yàn)室的單光子源絕大多數(shù)是采用這種方法。但這種單光子源光子數(shù)服從泊松分布，嚴(yán)格來講很難實(shí)現(xiàn)高效率單光子脈沖。因?yàn)檫@個(gè)隨機(jī)過程并不會以人的意志為轉(zhuǎn)移，有時(shí)候會出現(xiàn)1個(gè)脈沖包含2個(gè)光子的情況，這樣就降低了量子通訊的可控性和安全性。

衰減倍數(shù)越大，得到單光子的概率會提高，但沒有光子的空脈沖就越多，效率就大大降低了。因此，這種傻瓜式的精度提升，與效率背道而馳。

所以，一個(gè)完美的單光子源，需要同時(shí)滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率，這是四個(gè)幾乎相互矛盾的嚴(yán)苛條件，解決這個(gè)矛盾，這才是技術(shù)難點(diǎn)。

由此，科學(xué)家們又研究出許多獲得單光子源的方法，其中量子點(diǎn)單光子源是目前比較先進(jìn)的方法。這種方法可以讓量子點(diǎn)穩(wěn)定地發(fā)出單個(gè)光子流，與其他單光子源相比，量子點(diǎn)單光子源具有較高的振子強(qiáng)度，較窄的譜線寬度，且不會發(fā)生光退色。

這種單光子源技術(shù)，美國斯坦福大學(xué)在2001年就研發(fā)出來了，大大降低了第二個(gè)光子產(chǎn)生的可能性；2002年東芝和劍橋大學(xué)合作，采用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的LED實(shí)現(xiàn)了電注入單光子發(fā)射；我國中科院半導(dǎo)體研究所在2007年成功實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)單光子發(fā)射。

現(xiàn)在，我國在量子點(diǎn)單光子發(fā)射方面已經(jīng)走在世界前列，以潘建偉院士為首的中科大團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了點(diǎn)脈沖共振激發(fā)技術(shù)，從根本上消除了量子點(diǎn)激子相干效應(yīng)。采用這項(xiàng)技術(shù)，相比之前萬分之一激發(fā)功率，就可確定地產(chǎn)生純度為99.5%的高品質(zhì)單光子，是國際公認(rèn)制備高品質(zhì)單光子的利器。

作為一般科普，這里就不過多羅列其中復(fù)雜的專業(yè)術(shù)語了，有興趣的朋友可以百度搜閱有關(guān)資料。

除了制備單光子，量子通訊還有很多復(fù)雜技術(shù)

這些技術(shù)包括單光子的編碼和傳輸問題、光子檢測和接收問題等等。

如單光子編碼，就涉及到用偏振還是相位，就是采用偏振片還是半波片、各種干涉儀，如何處理編碼過程帶來的損耗等等。

遠(yuǎn)程傳輸是采用光纖，還是隔空無線傳遞，能夠傳遞多遠(yuǎn)，通過什么方法中繼，信號如何保持或放大，采取什么樣的方式實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)，如何解決傳輸過程中的安全與信號衰減問題。

而在接收終端，就必須有一臺精確高效的單光子探測接收裝置，也就是說接收到1個(gè)光子就能夠敏感響應(yīng)。這一點(diǎn)似乎并不是很難做到，因?yàn)槿说难劬χ灰?0個(gè)光子就能夠感光，而青蛙的眼睛據(jù)說就能夠看到單個(gè)光子。比較難的是，這個(gè)探測器要能夠響應(yīng)合適的波長范圍，而且要高效反應(yīng)，在高噪聲環(huán)境實(shí)現(xiàn)高效通訊。

這些，中國已經(jīng)取得突破。如科技大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與奧地利馬庫斯·休伯教授合作，成功實(shí)現(xiàn)了在高噪聲環(huán)境下的高維量子通訊；以潘建偉為首的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)。

而意大利帕多瓦大學(xué)的研究人員，則在2019年就實(shí)現(xiàn)了超過20000公里的超遠(yuǎn)距離單光子交換傳輸，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這也證實(shí)了微型量子通訊在全球范圍內(nèi)實(shí)施的可能性。

從上述介紹可以看出，量子通訊早就已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室推向了社會運(yùn)用，如果還硬要說量子通訊是假的，就是選擇性失明，睜開眼睛說瞎話了。

這里多說一句，量子通訊是基于美國科學(xué)家1984年制定的BB84協(xié)議和之后改進(jìn)的BBM92，以及2012形成的MDI-QKD協(xié)議，是國際上通用的量子密鑰分發(fā)協(xié)議。其主要目的是利用量子力學(xué)的不確定性原理和量子不可克隆性，以光子的偏振態(tài)作為信息載體來傳遞密鑰，增加安全通訊的距離。

因此量子通訊與量子糾纏的超距超光速傳輸?shù)脑幃愋?yīng)沒有半分錢關(guān)系，如果有人刻意從這方面宣傳誘導(dǎo)，將量子通訊神秘化，就有偽科學(xué)之嫌了。對此你怎么看？歡迎討論，感謝閱讀。

時(shí)空通訊原創(chuàng)版權(quán)，侵權(quán)抄襲是不道德的行為，敬請理解合作。