实验室里如何产生纠缠光子和单光子，如何检测单光子？

　　量子纠缠是量子信息领域的一个很基础的物理现象和实用技术。本文力求用通俗语言简要地解释量子纠缠是咋回事，以及如何产生纠缠光子等问题。什么是纠缠光子？
　　首先，量子纠缠中的量子可指任何微观粒子如光子、电子、质子、原子或缪子等。用一个比较通俗的话定义纠缠粒子就是两个或多个具有相互关联物理量的粒子。好像还是有些抽象，举一个例子吧，静止的自由中子β衰变
　　中子—>质子 +电子+反电子中微子
　　由动量守恒知道 新产生的质子、电子和中微子动量之和为零，所以，三个粒子为纠缠粒子。
　　由此，我们可以想到光子纠缠。如果，有个光学过程，可以产生成对的光子，虽然每个光子动量不知道，但我们确定每对光子动量之和为一固定值，那么，这对儿光子就是纠缠光子。
　　这里纠缠的物理量是动量，当然，如果物理量是光子的自旋角动量也一样。如何产生这些纠缠光子呢？
　　那就要拿出光学晶体（本文简称晶体）。晶体对于光学技术的重要性，如同半导体对于电子技术。晶体对于光有很多奇特且很有用的特性，比如，它把一束入射光变成出来的两束光，可以把入射的线偏振光变为圆偏振光。这些知识对应物理学一门课程叫晶体光学。
　　还有一些晶体对光具有非线性效应，即出射光的频率和波长与入射光不同，它对应另一门课程非线性光学，这正是本文将用到的。
　　实验室常用来产生纠缠光的一种非线性晶体叫偏硼酸钡(BBO)。实验中用351纳米的激光（p光）照射BBO，会产生702纳米的两束光(分别叫s光和i光)，这后两种光就是纠缠光。每对纠缠光子都是在同一时刻产生于晶体内部的某一微观尺度区域内，且p，s，i光子满足能量守恒和动量守恒，即s光子和i光子的动量之和等于p光子的动量。其偏振态也有固定关系。应用如下图(该图为某检验贝尔理论的示意图局部)。
　　上图中每对纠缠光子i和s分别在垂直于原入射光传播方向上有大小相等方向相反的动量分量，但不同的光子对儿的该动量分量的大小和方向有随机性差异，这也是被称为纠缠的主要原因。能生产单光子么？
　　上图中如果在某一时间间隔内只产生出一对光子， 在上下每条出射光的途径上看就是单光子。 这样的单光子现在在实验上能实现么？答案是在一定时间精度和光子计数涨落误差下可以实现，通俗的说就是可以近似实现，不能任意精度实现。理论上看就是存在和量子不确定性关系有关的量子误差。
　　举例说，上图中我们可以通过减弱输入激光的强度，使输出光的变得很弱很弱，比如，弱到平均1毫秒1个光子。这时，用光子计数器探BBO的测输出光，会发现每毫秒的光子数是有涨落的，它符合泊松统计分布。 这种分布规律可由量子光学理论得出，也被大量实验验证。现在的量子压缩技术，使涨落大大减少。现在能检测到单光子吗？
　　能。早期用的光电倍增管就不多说了。现在用单光子雪崩二级管，就是用半导体参杂砷镓等元素，已应用在科研、军事、遥感及自动驾驶等方面。单光子检测的技术难度在于如何减少和处理背景干扰。
　　关于光的激光的量子涨落与量子压缩等理论，可参考郭光灿老师的《量子光学》一书（高等教育出版社）。