单光子探测在量子通信中的应用

单光子採测在量子通信中的应用

马子程（山东省潍坊第一中学）

【摘要】量子卫星与量子通信的成为近年的研究热点，单光子探测技术作为量子通信中的关键技术之一，也取得了较大进步。本文首先概述 了量子通信的基本原理与应用现状，介绍了单光子探测技术在量子通信系统中的重要地位，调研了单光子探测技术的分类及原理，最后对其未 来的发展进行了展望。【关键词】量子卫星；量子通信；单光子探测；量子纠缠【中图分类号】TN15 【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222(2017)21-0020-02

1引言

2016年8月16日，“墨子号”实验卫星成功发射升空，这是我国也是世界首颗量子科学实验卫星，标志着我国在量子 科技上迈出了重要的一步。量子通信的物理原理是量子纠缠 效应，通过对处于纠缠态的量子对进行测量观测，从而实现信 息传递，相对于传统通信方式，其优势在于安全和高效。量子 通信的不断发展，既可以使人类的通信更加保密、迅速，又可 以开启新的产业潮流，促进经济社会的发展，创造巨大的经济 效益。

单光子是量子信息的载体，单光子探测技术利用新式光 电效应对入射的单个光子进行测量，是推动量子信息产业发 展的科学基础。单光子探测作为核心技术之一，对量子密钥分 发系统的量子密钥生成速率有重要影响。

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图1量子通信流程图

量子通信的优势巨大院①它十分安全，即使信息被窃取， 由于量子加密的密钥是随机的，所以窃取者的观察行为会影

响信息本身，进而无法获得正确的信息。②它十分高效，被传 输的未知量子在被测量前处于叠加态，包含着极大的信息量。 一次传输，就相当于经典通信的128次，以我们目前的宽带为 例，如果换用量子通信，现在需要几分钟下载的一部电影也许 需要一秒便能完成。

量子卫星是量子信息传输的重要方式，“墨子号”卫星质 量为631kg，运行于500km太阳同步轨道，设计在轨寿命为2 年。该卫星包括四个载荷:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、 量子纠缠源、量子试验控制与处理机，其实验任务是包括四 项：星地量子纠缠分发实验、星地高速量子密钥分发实验、广 域量子卫星网络实验。除了卫星之外，地面上也建设了四个量 子通信地面站（兴隆、乌鲁木齐、德令哈和丽江）以及位于

2量子通信与量子卫星

1993年，美国科学家C.H.Bennett首先提出了量子通信

(QuantumTeleportation)的概念，由量子态携带信息，利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信。量子通信的基本 原理是量子叠加和量子纠缠，量子叠加是指一个量子系统可 以处于多种状态中，但在观测或测量中，会随机出现一种确定 的状态；而量子纠缠指的处于纠缠态的两个粒子，如果其中一 个量子态发生改变，则另一个也会马上做出相应改变。量子通 信的流程如图1所示。

使用过程中的一个重要问题。由于远程定位通讯系统能够在 不同的工作环境中农进行使用，所以在使用过程中的要求和 条件也不仅相同。例如在路面施工工程中，由于施工距离较远 的原因，GPS就需要能够连接到更远的距离，以保证控制中心 能够完全的对施工现场的机械进行控制，保证施工的质量以 及施工安全。传统的无线电和无线局域网都很难对这个距离 进行信号的覆盖，所以采用GPS-GSM远程定位系统也是最为 合适的选择。

GPS在使用过程中，需要对信息进行传输。在传输过程 中，信息以代码的形式存在，然后经过翻译显示在显示器上。 而控制中心也能够通过显示器上传递过来的信息对施工状态 进行了解和掌控。4.3

5结束语

经济条件的不断好转以及科学技术的不断提高使我们的 生活质量也随之提高。那么施工技术以及工程机械也在我们 不知不觉中不断的改进，以满足我们日益提高的生活需求。智 能化工程机械通讯定位系统就是科学技术和工程机械额发展 的产物。该技术的提升使得施工过程中的管理明显得到了加 强，对于机械在施工中出现的问题也能够及时的得到解决，使 施工的质量和效率都有着明显的提高，为我们的生活和工作 都提供了很大的帮助。

参考文献

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使用过程中的优缺点

GPS-GSM远程定位通讯系统具有先进的科学技术，在使

用过程中的方便以及快捷是我们能够体会得到的。GPS系统 能够接受世界任何地方的信号，在环境较为恶劣的地方尤为合

适。同时，该系统还具有传输数据量小的优点。但是该系统在安 装和使用过程中的资金投入也很大，并不适用于日常生活中 的使用。另外，对于通讯较为频繁的业务也不是十分的适合。

收稿日期:2017-9-25

2017年11月

通信设计与应用21

阿里的量子传态实验站，与量子卫星组成一个天地一体 化的实验系统。

3量子密钥分发系统中的单光子探测

在量子通信技术研究和应用的两大核心技术分别是：单 个光量子的制备和探测。针对前者，潘建伟举过一个例子：一 个15W功率的灯泡每秒钟可辐射出数目达百亿亿个的光量 子，实现单个光量子的制备，就如同此灯泡在瞬间发射出来的 海量光量子中捕捉到其中的一个。对于第二个难题，作为光能 量的最小单元，单光子能量极其微弱，单光子探测技术要求精 图3光电倍增管的结构示意图

近年来，出现了部分新的单光子探测方法，主要有基于量

子点的单光子探测器，可见光子计数器等，基于频率上转换技 密且高效。

单光子探测在量子通信中起重要作用，对量子密钥分发 有着重要影响。量子密钥分发是近二十年发展起来的新型保 密技术，它以量子物理与信息学为基础，被认为是安全性最高 的加密方式。量子密钥生成速率受到单光子探测器最大技术 频率的制约，所以单光子探测器的性能决定着量子密钥分配 系统的性能。

单光子探测器在天文、测绘、化学和量子通信等领域发挥 着重要作用。量子通信对单光子探测技术的发展起到了非常 重要的推动作用，通过单光子传输密钥，基于量子力学测不准 原理确保密钥传输绝对安全，而单光子探测器是量子保 密通信系统性能的重要因素。

总之，量子通信与单光子探测之间是相辅相成的，一方 面，单光子探测得发展与成熟可以促进量子通信的发展，另一 方面，由于单光子探测的局限性，也会量子通信的进展。

4单光子探测的原理及分类

单光子探测器是一种超灵敏的光电转换器件，检测对象

为单个光量子。根据光的粒子性，光是由大量光粒子所组成 的，光子，是光的最小能量量子，所以单光子已经不再是连续 的光。实际测量中，首先将单个光电子信号放大，通过数字计 数和脉冲甄别等技术对光电子信号进行识别提取，达到超灵 敏极限。光探测的原理主要可分为光热效应和光电效应。光热 效应探测元件吸收光之后，把光的能量转换为晶格的热运动 能量，使探测元件温度上升，这种热探测广泛用于红外辐射的 探测。光电效应原理是光子被探测元件吸收后，原子或者分子 的电子状态进而发生改变，通过对电子状态改变的测量，从而 实现对光子的测量（图2)。

图2雪崩光电二极管的典型原理结构

目前，常用的单光子探测器件主要有：雪崩光电二极管

(VAPD)、超导单光子探测器（SSPD)、增强光电二极管（IPD) 和光电倍增管(PMT)等。其中，增强光电二极管和雪崩光电二 极管都属于单光子技术的光电器件。如图2所示，雪崩光电二 极管的测量原理为光电效应，它利用内光电效应探测光信号， 即在光电二极管（硅或锗材质）的P-N结上加上反向偏压，P- N结吸收射入的光后，形成光电流。加大反向偏压后光电流成 倍地激增，这一现象被称为“雪崩”。如图3所示，光电倍增管 则是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，利用外光 电效应，阴极在光子作用下发射电子，电子在外电场或磁场中 加速，聚焦于第一次极，进而使次极释放更多的电子，它们再 被聚焦在第二次极，经十次以上倍增后，放大数百至上千倍。 最后，放大后的光电流在高电位的阳极被收集。

术的单光子探测器，超导单光子探测器等。目前，研究人员主 要从两个方面入手：①针对探测器的外围控制驱动技术进行 改进优化，以期提高探测速率;②通过研制和开发有高灵敏度 新型结构的光探测器，以期提高探测效率。

5结论与展望

随着科技日益发展，量子通信的发展受到极大关注，从发 射墨子号，到建设量子通信地面站、建设量子通信电站，无不 显示着我国对这项新技术的重视。通过研究与探索单光子探 测与量子通信之间的关系，建立高质高效的量子密钥分发系 统，有利于实现量子通信技术的进步。单光子探测器件是应用 的重点，无论是在超导方面，还是在信号探测，光电转换方面， 都发挥着不可估量的作用。量子卫星与单光子探测技术有广 阔的发展前景，势必会对各项行业产生有利的影响。

参考文献

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收稿日期:2017-9-20

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