揭秘：双缝干涉实验中，单光子是怎么实现的

可能有很多喜欢科学的小伙伴都知道杨氏双缝干涉实验，尤其是后来的单光子双缝干涉实验，大家都很好奇，单光子是怎么弄出来的？有很多质疑量子通讯、质疑量子计算机的人都是利用这个点进行攻击。我只能说，这样无端质疑的人，既不懂量子力学，也不了解现在的工程科技。这个问题的核心是单光子光源是怎么实现的，本文就单光子是如何制备的这个话题，给大家做一下解答。

图1 双缝干涉实验装置示意图

可以生产单光子的技术：量子点技术

我在前几天的一篇文章《摩尔定律终结，硅谷是否会变成一片荒芜？物理学家找到新出路》里面在提到，摩尔定律终结之后，未来技术上的一些解决方案中就提到了一种量子点技术。

所谓的量子点，就是利用现有的半导体技术，做出很小的一些点，这些点大约包含几十或者是近百个原子。这样，这些原子就可以有一个简谐振动。目前，科学家已经能够制造出由单电子组成的量子点。

既然实现了能够控制单电子组成的量子点，也就能利用单电子的跃迁实现单光子的释放。目前，这种量子点技术原理的发光管已经制造出来了。这并不是什么神话。当然了，量子点技术并不是唯一能产生单光子的技术，这里由于篇幅的原因，我们只介绍它。

图2 量子点技术发光装置

量子点技术的制造工艺

量子点和类似的其他发射子，制造出来之后是一系列随意摆放的发射子。这些发射子需要根据需要，通过扫描整个晶片然后找到可用的发射子，然后再在这些随机放置的有利用价值的点周围设计所有的光路和电路。

所以，从工程技术的角度来说，这实际上是用一个会产生一定可接受范围内噪声的方法来制造单光子，或者用一个具有更高确定性但无法控制光子颜色和发射来自方向的方法产生单光子。当然了，这两种方法其实都是有不足的。

目前，单光子的产生是上述两种方法的混合版本。用一个半导体纳米管替代了随机分布的量子点。半导体纳米管发出一组合理定义的波长，并且其发射过程是部分确定的。它的原理是，导通状态的电子由于纳米管中存在杂质而发生散射，衰变成不导通状态，在这一衰变的过程中它将会发射出一个光子。

图3 碳纳米管

更多单光子发射器的论文发表

可能提出这个问题的朋友没有关注这方面的科学杂志或者是学报。其实，单光子发射装置的研究论文非常多。近期比较有名的有一篇是麻省理工学院的研究人员设计出一种方法，能在室温下产生更多携带量子信息的单光子，这种设计为实用量子计算机的发展带来了希望。量子发射器产生的光子可以一次检测一个，量子计算机能利用这些光子的某些特性作为量子比特(“量子位”)来执行计算。这个小组中还有我国大连理工大学的一位研究生在参与，有兴趣的朋友可以查查这篇论文。

全文总结

目前，单光子发射和检测技术其实已经发展了几十年了，有很多方案都已经能够成功实现单光子发射。利用单光子光源做双狭缝实验也就是顺理成章的事情。