日前，我國自主研發的"墨子號"衛星在酒泉衛星發射中心發射，首次實現衛星與地面之間量子通信聯接。自此，量子通信這一前沿科技開始走入大眾視線。

　　量子通信中有三項核心技術，分別是單光子源技術、量子編碼和傳輸技術、單光子檢測技術。大量研究已經證明使用單光子源的量子通信是絕對安全的，并且具有很高的效率。由此可見，理想的單光子源是量子通信的基礎，其特性的研究具有很高的價值。

　　量子通信的信道有光纖信道和自由空間信道兩種，無論采用哪種信道進行實驗，單光子源的質量都是影響整個通信過程安全性的重要因素。

　　基于安全性方面考慮，為了保證在通信過程中不會被光子數分束攻擊，理想的單光子源應該嚴格滿足每個脈沖中僅含有一個光子。然而，現階段大多數實驗所用的光源都是經過強烈弱光脈沖衰減得到，其光子數服從泊松分布。這種光源嚴格意義上講是無法實現單光子脈沖的，實際做法是盡量降低每個脈沖里含有兩個以上光子的幾率，降低到不會對安全性產生影響。在實際應用中通常把含有兩個以上光子的脈沖控制在5%以下，因此就必須把激光衰減到平均光子數為0.1，也就是說每個脈沖中平均含有0.1個光子。通信系統中是存在損耗的，即使脈沖中含有兩個以上的光子也很少帶來安全隱患，此外由于脈沖大多是不含光子的空脈沖，因此嚴重降低了密鑰分配系統的傳輸效率，同時也增加了系統的誤碼率。所以高性能單光子源的研究己經成為影響量子通信發展的重要課題之一。目前單光子源方案有以下幾種:

　　(1)強衰減激光脈沖

　　使用平均光子數很小的相干態來充當單光子數態，在實際應用中使用半導激光器和準直衰減器來實現，可操作性強，在實驗中很容易實現。

　　強衰減激光脈沖的光子數分布為：

　　那么，可以推算出脈沖中含有一個以上光子的概率為

　　上式在μ<<l時近似結果為μ/2。其中μ為脈沖的平均光子數。為了讓脈沖中含有多光子的概率降低，一般μ值都很小，實驗中大多取μ =0.1，這就意味著約5%的非空脈沖含有一個以上的光子?？彰}沖的概率為P=(n=0, μ)≈1-μ,如果本次試驗里選擇較小的平均光子數刀，那么大部分時間通信鏈路處于閑置狀態，量子效率很低。若選擇較大的平均光子數，那么脈沖中將含有大量的多光子脈沖，竊聽者就可以通過光子數分束攻擊獲取通信過程的信息而不被通信雙方發現。因此，平均光子數的選擇對系統的安全性有很大影響。

　?。?)參量下轉換單光子源

　　另外一個研究方向是產生成對的單光子源，典型的例子是自發參量下轉換(PDC)。PDC過程是根據晶體X*X非線性效應將泵浦光轉換為成對的光子。因此探測到一個光子可以暗示第二個光子的存在。但是這種雙光子對的產生效率很低，在給定的某一模式中，大約需要1010個泵浦光子才能產生一個光子對。

　　PDC的物理過程保證輸出的成對光子具有能量和動量上的守恒，在適當條件下，一旦空閑光子被探測到就可以準確定位它的同胞光子(信號光子)，這是PDC光源相比其他光源比較優越的地方。

　　因為泵浦光子轉換為成對光子是隨機過程，對于微弱的激光光源，這是一個嚴重的問題，成對光子的產生也是隨機的，因此不能保證每次有且僅有一個光子對產生。多路技術和存儲方案為解決這一問題帶來了曙光，這兩種方案具有相同的原理，由于產生成對光子的概率很低，一旦光子被探測到，就把它的同胞光子存儲起來，在隨后的時間內以可控的方式發射光子?？偟陌l射率減少了，但是在規定的時間內產生有且僅有一個光子的速率提高了。

　　(3)量子點單光子源

　　使用量子點可以穩定地發出單個光子流，每個光子可由光譜過濾器分離出來。與其它單光子源相比，量子點單光子源具有高的振子強度，窄的譜線寬度，且不會發生光退色。目前的半導體基本上可以覆蓋從可見光到紅外波段。

　　量子點單光子源的研究一直很活躍。2001年Stanford大學的科研人員在GaAs襯底上長出一層發光波長為877nm的InGaAs量子點，通過激光器發射把激光發射到量子點的臺面上。結果表明，在激光脈沖的作用下產生的激子進入一個量子點后，量子點吸收一個光子后再吸收第二個光子的可能性大大降低，這使產生反聚束光子流成為可能。Toshiba-Cambridge大學的歐洲聯合研究小組在2002年采用量子點結構的LED實現了電注入單光子發射。2005年他們成功利用量子點制造出波長在1.3μm通訊波段的單光子光源。2007年，我國中科院半導體研究所超晶格國家重點實驗室相關研究人員成功實現了量子點的單光子發射:8K溫度下脈沖激光激發InAs單量子點，可以觀測到932nm的單光子發射，發射速率大于10kHz。但是，這一領域仍然有很多難題需要解決，比如尺寸、形狀的均一性控制，光譜的單色控制，以及對低溫的要求等。

　　(4)納米天線單光子源

　　基于SPP共振效應的納米天線結構可以有效收集光能量，并將其限制在亞波長尺度，其巨大的局域場增強效應為納米光子學提供了廣闊的應用前景。

　　目前，每個脈沖產生一個光子的器件己經研制成功，問題是怎樣將產生的光子沿某一特定的方向高效率地發射出去。光子晶體、介質球、光學微腔結構、金屬表面等都可以改變光場方向，而共振光學天線對光場的改變更為局限化。它可以將入射光場有效限制在亞波長區域，也可使納米尺度的小顆粒輻射強度顯著增強，同時改變輻射方向。實驗證明，天線的等離子模式調到附近分子電子躍遷的頻率附近時會產生共振，發光分子與天線產生足夠強的耦合，這樣就可以控制發光方向。Van Hulst小組將長為80nm的鋁制單耦天線接近一個熒光分子，通過改變天線與光的耦合方式，分子發出的光可以被調整90°。R.Esteban小組于2009年介紹了一種金屬等離子電線產生單光子激發的方案，該方案是在等離子腔中利用金屬光學共振原理和避雷針尖端放電理論提出的，并且給出了數值模擬結果。隨著表面等離子體的發展，我們相信納米天線單光子源一定會從理論走向應用。