可控波形单光子的产生、探测及其在量子密钥分发中的应用

单光子的操控不仅对量子物理的基础研究具有重要意义，而且在量子信息科学和技术中有着广泛的应用。近期的研究表明，不同波形的单光子具有不同的特性；与原子系统的相互作用具有不同的性质；某些波形的单光子用于量子信息处理具有一些较好的特性。本项目拟研究波形可控的单光子的产生、探测及其在量子保密通信中的应用。具体研究内容包括：（1）可控波形单光子的实验产生：把三维磁光阱系统改造成二维磁光阱系统，得到光学厚度可调的冷原子团，然后利用非同轴四波混频产生波形可调的单光子。（2）快速响应单光子探测器的实验研究，包括高速低噪声有源伺服电路的研制；超快门控脉冲发生器的研制；门控电流抑制技术的研究。（3）基于方波形单光子的量子密钥分发的实验研究。（4）配合实验研究，从理论上研究可控波形单光子与原子相互作用中的新特性及其在量子信息处理中可能的新应用。

该项目研究可控波形单光子的产生、探测及其在量子密钥分发中的应用。..立项背景：（1）单光子的操控不仅对量子物理的基础研究具有重要意义，而且在量子信息科学和技术中有着广泛的应用；（2）不同波形的单光子具有不同的特性，从而具有不同的用途，例如，高斯波形的单光子有利于量子计算机的容错及提高量子逻辑门的保真度；控制单光子的波形可以提高单光子在腔QED系统中的存储效率；此外，可控波形的单光子在量子计量学、量子印刷术、量子相干层析、非线性显微学、长距离量子通信等领域中也有着重要的应用前景，因此，研究可控波形的单光子具有十分重要的意义。..主要研究内容：（1）可控波形纠缠光子对和可控波形单光子的实验产生；（2）快速响应单光子探测器和探测技术的实验研究；（3）基于单光子的量子密钥分发的实验研究。（4）配合实验研究，从理论上研究可控波形单光子与原子相互作用中的新特性，探索其在量子信息处理中可能的新应用。..主要成果概况：发表期刊论文43篇，其中SCI收录39篇；获批国家发明专利7项；培养研究生17名；承办了第十五届全国量子光学学术报告会。..标志性成果：实验产生了亚自然线宽的可控波形偏振纠缠光子对和预告式(Heralded)可控波形单光子。可控波形偏振纠缠光子对的线宽为0.8MHz，远小于铷原子的自然线宽6MHz；预告式可控波形单光子的产生率接近100000/秒，单光子相干时长可调，最长达到1微秒量级。相关成果于2014年6月发表于Phys. Rev. Lett. 112，243602(2014)，2014年9月出版的 Nature Photonics 在Research Highlights 专栏专题报导了我们的这一研究成果[Nature Photonics 8, 674(2014) doi: 10. 1038 /nphoton.2014.202]，指出该成果解决了该领域的一个长期难题。