量子通信，可以说目前应用领域的量子通信所依赖的量子都是光子/光量子，也就是光的最小单位，所以它非常的暗，几乎难以令人察觉。但这静止质量为零（目前普遍接受的理论）的光子所具有的极其微小的能量对于携带量子信息是极其有用的。
我们身处现实环境所感知到的光，是光子布满行动路径的表现，但在量子通信领域我们所需要的并非光束，或者说不同于相干光源（激光）和热光源（白炽灯泡），我们所需要的是单个的光子——单光子，包含单个激发的辐射模式的量子态。
目前最常用也是实验中最易操作的做法是通过衰减激光束，降低强度，从而减少每个脉冲的平均光子数，使用平均光子数很小的相干态来充当单光子数态。根据泊松分布，在平均光子数μ=0.1时，得到零光子的概率为90％，一个光子的概率为9％，多于一个光子的概率为1％。除此之外，还有利用自发参量下转换(PDC)等晶体效应产生成对的单光子源的参量下转换法、近十年愈发火热成熟的量子点技术以及其他一些仍在研究中的技术。
但这些技术手段或多或少都存在一些问题，比方说常用的衰减法，转化效率不高，而且如果平均光子数选值过高会造成脉冲中含有大量的多光子脉冲，从而导致在量子通信过程中失去安全保障（窃听者可以通过光子数分束攻击获取通信过程的信息而不被通信双方发现）；同样参量下转换单光子源技术也存在效率不高的问题；而量子点技术作为按需单光子源虽然具有高的振子强度，窄的谱线宽度，且不会发生光退色，但是在可控性以及低温环境需求等方面仍存在不少的技术难题。
单光子源在量子通信科学中非常重要，它们可用于真正的随机数生成器，在量子密码学中更是必不可少。许多研究人员正致力于构建可靠的量子光发射器，以便它们能够隔离和控制单光子的量子特性。
近日，马里兰大学联合量子研究所（JQI）的研究人员已经展示了一种新方法，可以使不同的设备重复发射几乎相同的单光子。研究团队在Mohammad Hafezi——凝聚态理论和量子光学领域专家的领导下，制作了一个硅芯片，引导光束围绕在设备边缘，防止光束中断。
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他们将单色光--红外激光注入到包含一系列微小硅环的芯片中。在显微镜下，环状物看起来像连接玻璃状的赛道。在进入相邻环路之前，光在每个环路周围循环数千次。伸展开来环状路径仅仅只有几厘米，但是这些环路的存在使得光子的空间旅行成为可能，也正是这相对较长的“路途”才能保证从硅芯片中成对单光子的获得。
这种环路设计始终仅允许光在芯片边缘周围以不受干扰的方式运动，研究团队通过这种方式保证了光束不受干扰，也保证了即使材料存在随机缺陷，环路的布局基本上也会迫使每个光子对与下一个光子对几乎相同，从而保证平均光子质量。
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光的拓扑性保证光子在阵列边缘行进时几乎不受影响
“最初我们认为需要对设计更加小心，因为光子对我们芯片的制造工艺会非常敏感，”JQI博士后Sunil Mittal说。“但是，令人惊讶的是，无论芯片有多糟糕，这些屏蔽边缘通道中产生的光子总是几乎相同。”
研究人员将他们的芯片与没有任何受保护路线的芯片进行对比，他们收集了来自不同芯片的光子对，计算了发射的数量并将数据进行对比。他们发现到他们的量子光源始终能够更加可靠地产生高质量的单色光子，相比而言，传统芯片的输出结果则更难以预测。
Mittal补充说，他们的器件比其他单光子源具有一个额外的优势是，“我们的芯片在室温下工作。不需要像其他量子光源一样将其冷却到低温。”
Mohammad Hafezi所领导的研究团队表示，这一发现可以开辟一条新的研究途径，将光量子与具有内置保护功能的光子器件结合在一起。“物理学家最近才意识到，屏蔽通道从根本上改变了光子与物质相互作用的方式，”Mittal铿锵有力的表示，“这可能对光物质交互发挥作用的各个领域产生影响，包括量子信息科学和光电子技术。”
本文来自量子大观（微信公众号：C114-quantum）
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