14、量子光子枪：原理、应用与挑战

量子光子枪：原理、应用与挑战

引言

在量子技术领域，光子枪是至关重要的工具。它们在量子通信、量子计算等多个领域都有着广泛的应用。本文将详细介绍几种不同类型的光子枪，包括单光子枪、伪单光子枪和纠缠光子枪，并探讨它们的原理、优缺点以及应用场景。

单光子枪

魔法晶体单光子枪

为了减少珍贵光子的损失，通常会采取特定的操作。我们会在圆锥上选择两个相对的点，然后在圆锥前面放置一个不透明的掩膜，掩膜上有沿直径方向分布的小孔。这样操作后，情况就类似图 4.3 所示，闲频光子会朝一个特定方向传播，信号光子则朝另一个方向传播，且二者都以狭窄的光束形式存在。当闲频探测器有信号时，就表明信号光束中有一个单光子，这个单光子可以被输入到光纤中供后续使用。

与量子点单光子枪相比，魔法晶体单光子枪虽然看似不是最佳选择，但它有诸多优势。如今，我们可以从多个渠道购买到这些神奇的晶体，实验室的学生使用透镜和镜子就能进行相关实验，无需将所有元件集成到芯片上。自 20 世纪 90 年代以来，魔法晶体装置一直是单光子枪领域的主力军。直到现在，微加工量子点单光子枪的性能才逐渐赶上。而且，魔法晶体还有一个令人惊喜的特性，其产生的双胞胎光子是相互纠缠的。

伪单光子枪

在量子密码学等应用中，30 年来我们一直使用衰减激光脉冲来替代真正的单光子源。那么，什么是衰减激光脉冲呢？单光子枪有一定的要求，每次发射必须且只能产生一个光子，不能有空发射的情况；光子必须是不可区分的，并且要以紧密的光束形式从枪中射出，而不是四处散射。然而，目前讨论过的光子枪都无法完全满足这些标准。

衰减激光脉冲伪单光子枪的原理是，激光发出的光在强度足够时