要点概述

- 单光子是量子通信的关键元素，它们可以被用来实现量子密钥分发、连接量子网络；

- 量子通信需要电信波长范围内的单光子，这在技术上仍然具有挑战性；

- 用单光子进行量子计算是未来量子计算机的一个可行平台。对单光子的质量和数量的要求非常高——这是实现线性光学量子计算的主要限制；

- 我们仍然需要研究开发紧凑的源，以产生按需的、无差别的和尽可能高发射率的单光子

什么是单光子？

对单个光子进行定义和表征并不是一件容易的事，尽管对这个问题进行了几十年的研究，但光子的概念仍然令人费解，这有时会使其在应用中的使用变得相当棘手。

简单的定义是，光子是小的、离散的电磁辐射量；或者，正如阿尔伯特·爱因斯坦在1905年所介绍的那样，光子是光的量子。光子是无质量的玻色子，与任何量子物体一样，它们同时具有粒子和波的特性。根据不同的实验条件，人们既可以探测光子的粒子行为，也可以探测光子的波状行为，但要记住，这两者总是存在的。对于粒子性质，人们可以使用福克态形式主义，其中模式（麦克斯韦方程的解决方案）的占用被量化为光子数量算子的特征值H ̂。然后，单个光子就是特征值为N=1的模式的状态。

对于波的性质，采用的是时空光子波函数形式主义来描述。在20世纪60年代，Glauber通过为解释激光、黑体辐射和单光子源（SPS）的光子统计奠定基础，统一了现在被称为量子光学的学科。Glauber的形式主义通过一阶相关函数φE(x,t)来描述光子的波行为。在这个形式主义中，人们定义了单个光子的波函数，它再次服从麦克斯韦方程。

一个SPS可以通过实验手段来表征和识别。下图描述了如何测量SPS的两个特征属性。有趣的是，这两个实验确实分别测试了光源所发出的光的微粒(corpuscular)和波状特性。

量子光学。a）g(2)/Hanbury Brown and Twiss实验的测量：g(2)函数（即强度自相关函数）参数与分光器（R，反射；T，透射）输出端的两个探测器中同时出现的点击次数成正比；当一个时间t只有一个光子时，当输出端的时间延迟τ为零时，同时出现的点击次数为零；I是经典的光强度，n是以光子数量计算的量子等效光强度。b）Hong-Ou-Mandel效应可用于表征光子的可辨别性。它测量的是当一个光子通过每个输入端口进入时，分光器输出端的重合点击。当光子具有相同的状态（模式）并在同一时间到达分光器时，它们是不可区分的，并且重合的点击次数为零。

一般来说，SPS的单光子发射由四个参数定义：它的纯度（是否每次多只有一个光子，由Hanbury Brown和Twiss实验决定）、它的保真度（两个光子彼此的不同程度，由HOM实验测量）、它的生成率（SPS每秒能提供多少光子）和源的效率（在实验装置结束时实际得到多少光子）。

不同的应用将对所使用的单光子的特性有不同的要求。我们应该强调，在某些情况下，人们可以使用弱相干态作为单光子的近似值。弱相干态是强衰减的激光束，但它保留了它们的统计特性，特别是g(2)(τ)=1，因此不属于SPS的范畴。不过，对于所有的应用来说，一个不变的事实是，一个单光子源可以提供零、一个或多个光子；多于一个光子的情况对本文参考文献中描述的所有应用都是不利的。

文章来源：中国科学院物理研究所