量子光研究能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎相同的光子源

你可以擁有的最小光量是一個光子，所以它很暗，以至于人類幾乎看不到它。雖然難以察覺，但這些微小的能量點對于攜帶量子信息非常有用。理想情況下，每個量子信使都是相同的，但沒有一種直接的方法來產(chǎn)生相同光子流。當(dāng)單個光子來自制造的芯片時，這尤其具有挑戰(zhàn)性。

現(xiàn)在，馬里蘭大學(xué)的研究人員已經(jīng)展示了一種新方法，可以使不同的設(shè)備重復(fù)發(fā)射幾乎相同的單光子。由UMD副教授Mohammad Hafezi領(lǐng)導(dǎo)的團隊制作了一個硅芯片，可以引導(dǎo)設(shè)備邊緣的光線，從而保護設(shè)備不受干擾。

此前，擁有電氣和計算機工程系，UMD 工程師 A. James Clark工程學(xué)院，UMD 聯(lián)合量子研究所和UMD 電子與應(yīng)用物理研究所的 Hafezi與同事一起表示這種設(shè)計可以降低光信號衰減的可能性。他們的研究結(jié)果于9月10日在線發(fā)表在Nature上。

“我們最初認為我們需要更加小心設(shè)計，并且光子對我們芯片的制造工藝會更敏感，”主要作者Sunil Mittal說，他是UMD電子和應(yīng)用研究所的助理研究科學(xué)家。物理學(xué)和聯(lián)合量子研究所的博士后研究員。“但令人驚訝的是，無論芯片有多糟糕，這些屏蔽邊緣通道中產(chǎn)生的光子總是幾乎相同。”

在這項工作中，該團隊發(fā)現(xiàn)，沿著芯片邊緣保護光線的相同物理特性也確保了可靠的光子產(chǎn)生。單光子是量子光的一個例子，它不僅僅是真正暗淡的光。這種區(qū)別與光源的來源有很大關(guān)系。

陸軍研究實驗室和聯(lián)合量子研究所的研究員，該研究的共同作者伊麗莎白戈德施密特說：“我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降乃泄饩€都充滿了光子。” “但與燈泡不同，有一些光源實際發(fā)光，一次發(fā)光，這只能通過量子物理來描述。”

許多研究人員正致力于構(gòu)建可靠的量子光發(fā)射器，以便它們能夠隔離和控制單光子的量子特性。Goldschmidt解釋說，這些光源可能對未來的量子信息設(shè)備很重要，也可能進一步了解量子物理學(xué)的奧秘。“現(xiàn)代通信在很大程度上依賴于非量子光，”Goldschmidt說。“同樣，我們中的許多人都認為單個光子將被用于任何類型的量子通信應(yīng)用。”

科學(xué)家可以使用自然變色過程產(chǎn)生量子光，這種過程在光束通過某些材料時發(fā)生。在這個實驗中，團隊使用硅作為引導(dǎo)光的常用工業(yè)選擇，將紅外激光轉(zhuǎn)換成成對的不同顏色的單光子。

他們將光線注入包含一系列微小硅環(huán)的芯片中。在顯微鏡下，環(huán)狀物看起來像連接玻璃狀的賽道。在移動到相鄰的環(huán)路之前，光在每個環(huán)路周圍循環(huán)數(shù)千次。延伸出來，光線的路徑將長達幾厘米，但是這些環(huán)路可以使旅程適合大約小500倍的空間。需要相對較長的旅程才能從硅芯片中獲得許多對單光子。

這種環(huán)形陣列通常用作單光子源，但芯片之間的微小差異將導(dǎo)致光子顏色從一個器件到另一個器件變化。即使在單個器件中，材料中的隨機缺陷也可能降低平均光子質(zhì)量。對于量子信息應(yīng)用來說，這是一個問題，研究人員需要光子盡可能接近相同。

該團隊通過以一種始終允許光線在芯片邊緣周圍不受干擾的方式排列環(huán)路來規(guī)避這個問題，即使存在制造缺陷。這種設(shè)計不僅可以防止光線受到干擾 - 它還限制了單個光子在這些邊緣通道中的形成方式。無論環(huán)之間的微觀差異如何，環(huán)路布局基本上迫使每個光子對幾乎與下一個光子對相同。芯片的中心部分不包含受保護的路徑，因此在這些區(qū)域中產(chǎn)生的任何光子都受到材料缺陷的影響。

研究人員將他們的芯片與沒有任何受保護路線的芯片進 他們收集了來自不同芯片的光子對，計算了發(fā)射的數(shù)量并記錄了它們的顏色。他們觀察到他們的量子光源一次又一次地可靠地產(chǎn)生高質(zhì)量的單色光子，而傳統(tǒng)芯片的輸出更難以預(yù)測。

根據(jù)Mittal的說法，這種器件比其他單光子源具有一個額外的優(yōu)勢。“我們的芯片在室溫下工作。我不需要像其他量子光源那樣將其冷卻到低溫，這使得它成為一種相對非常簡單的設(shè)置。“

該團隊表示，這一發(fā)現(xiàn)可以開辟一條新的研究途徑，將量子光與具有內(nèi)置保護功能的光子器件結(jié)合在一起。“物理學(xué)家最近才意識到，屏蔽通道從根本上改變了光子與物質(zhì)相互作用的方式，”米塔爾說。“這可能對光物質(zhì)相互作用發(fā)揮作用的各個領(lǐng)域產(chǎn)生影響，包括量子信息科學(xué)和光電子技術(shù)。”