2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子通信原理及应用

1、量子通信原理及应用1量子通信过程量子密钥分配 明文量子密钥分配： Quantum key distribution量子机密共享： Quantum secret sharing量子直接通信： Quantum direct Communication量子远程传态： Quantum teleportation2量子通信实验要求单光子源光纤和自由空间量子信道单光子探测器同步线路量子中继31917: 爱因斯坦(A.Einstein) 提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光发明奠定了理论基础1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展1954：美国汤斯(C

2、.H.Townes) 前苏联巴索夫(N.G.Basov) 普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)激光器1958: 美国汤斯(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想; 布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman) 世界上第一台红宝石固态激光器诞生1997: 朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季（C.Tannoudi) 利用激光冷却和钳制原子的研究2000: 赫伯特克雷歇尔（H.Press

3、el），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。Flash lampOutputbeamExternal mirrorExternal mirrorPartly transmission量子通信单光子源激光脉冲弱相干脉冲近似赝单光子源，光子数满足Possion分布，这种态下的n个光子概率满足 当平均光子数为0.1时，多于一个光子的脉冲概率小于5%6Attenuated laser =Coherent stateLaserAttenuator近似赝单光子源Mean number of photon per pulse = 0,17Poissonian Distribution0%20%40%

4、60%80%100%012345Number of photons per pulseProbabilityMean = 1Mean = 0.1真正的单光子源V+ParticlelikeWave-like during propagationParticlelike8量子通信单光子源参量下转换产生纠缠光子对一个光子作为触发，符合测量 后得到单光子； 效率低：1mw的泵浦光每秒 大约100万个光子对； 在1ns的时间窗口，探测 概率为0.1%Ref：Phys.Rev.Lett 75，43379参量下转换产生纠缠光子对Trigger photonsSource ofPhoton pairsHera

5、lded photonsTriggered APDAPD单光子源Multiple identical (indistinguishable) sourcesHigh purity (all else is just a classical mixture of pure states)High source efficiency and brightness or yield (production rate)Single spatial-spectral mode that is well matched to optical circuits and detectorssourcesintegrated optical circuitsdetectorsHeralded single photons IPumpsi A click at this detector indicates (“heralds”) there is a photon in this beam.Spontaneous scattering Nonlinear materialSpontaneous parametric downconversion (SPDC)Spont