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成功实现为“量子计算”生成高质量单光子!

作者:发布时间:2019-06-04 09:11

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。传统计算机处理和存储信息的比特是0或1,量子位元可以同时是0和1。这意味着量子计算机有可能解决经典计算机无法解决的问题。

然而,关键的挑战是产生具有相同量子特性的单个光子被称为 不可分辨 光子。为了改善这种难以分辨的特性,发射器将光通过一个光学腔汇聚起来,光子在这个光学腔中来回反射,这一过程有助于将光子的特性与腔匹配起来。一般来说,光子在腔内停留的时间越长,它们就越匹配。但也有一个权衡,在大的空腔中,量子发射器自发地产生光子,导致只有一小部分光子停留在空腔中,使得这个过程效率低下。

较小空腔可提取更多光子,但光子的质量较差,或者 可分辨 。在2019年5月14日发表在《物理评论快报》上的一篇研究论文中,研究人员将一个洞分成两个,每个洞都有一个指定的任务。一个更小的腔处理光子的有效提取,而一个附着的大腔存储光子时间更长,以提高其不可分辨性。与单腔相比,研究人员耦合腔产生的光子具有95%左右的不可分辨性,相比之下,80%的不可分辨性,效率大约是单腔的三倍。麻省理工学院电子研究实验室(RLE)的研究生,第一作者Hyeongrak Chuck Choi说:简而言之,两个总比一个好。

麻省理工学院设计的种新单光子发射器,它可以在室温下产生更多高质量的光子,这些光子可以用于实际的量子计算机、量子通信和其他量子设备。图片:Massachusetts Institute of Technology

在这个结构中,可以把两个腔体的作用分开:第一个腔体只收集光子,而第二个腔体则专注于单一通道中的不可分辨性。一个腔同时扮演两个角色不能同时满足两个指标,但是两个腔同时满足这两个指标。论文作者Dirk Englund,电子工程和计算机科学副教授,RLE研究员,量子光子实验室的负责人;;大连理工大学研究生朱迪;还有化学系的研究生Yoseob Yoon。新的量子发射器被称为 单光子发射器 ,是由纯材料(如钻石、掺杂碳纳米管或量子点)的缺陷造成。

由这些 人造原子 产生的光被光子晶体中一个微小光学腔捕获这是一种充当镜子的纳米结构。一些光子逃逸,但另一些则在空腔周围反弹,这迫使光子具有相同的量子特性主要是各种频率特性。当它们被测量到匹配时,它们通过波导离开腔体。但单光子发射器也会经历大量的环境噪声,比如晶格振动或电荷波动,产生不同的波长或相位。不同性质的光子不能被 干涉 ,这样它们的波就会重叠,产生干涉图样。这种干涉模式基本上是量子计算机用来观察和测量计算任务的。

光子不可分辨性是测量光子干涉能力的一种方法。因此,模拟它们在实际量子计算中的应用是一个有价值的度量标准。即使在光子干涉之前,由于无法分辨,也可以指定光子干涉的能力。如果我们知道这种能力,就能计算出如果他们把它用于量子技术,比如量子计算机、通信或中继器,会发生什么。在研究人员的系统中,一个小空腔附着在一个发射器上,这在研究中是钻石的一种光学缺陷,被称为 硅空位中心 :一个硅原子取代了钻石晶格中的两个碳原子。由缺陷产生的光被收集到第一个腔中,由于光聚焦结构,光子被提取的速率非常高。

然后纳米特性将光子导入第二个更大的腔。在那里,光子在一段时间内来回反弹。当它们达到高不可分辨性时,光子通过一个由连接腔和波导的孔洞形成部分反射镜排出。重要的是,这两种腔体都不需要像传统腔体那样满足严格的效率设计要求,也不需要像传统腔体那样难以区分。传统腔体被称为 质量因子(Q-factor) 。q因子越高,光腔内的能量损失越校但是具有高q因子的腔体在技术上具有挑战性。在这项研究中,耦合腔产生的光子质量比单腔系统都要高。即使它的Q因子大约是单腔系统质量的百分之一,它们也可以达到同样的不可分辨性,效率是单腔系统的三倍。

根据应用程序的不同,可以对空腔进行调优,以优化效率和不可辨别的特性,并考虑Q因子上的任何约束。这一点很重要,因为目前在室温下运行的排放物在质量和性能上可能存在很大差异。接下来,研究人员正在测试多腔的极限理论。再多一个腔仍然可以有效地处理初始提取,但随后将与多个腔相连接,使不同大小的光子达到某种最佳的不可分辨性。但是很有可能会有一个限制,对于两个腔,只有一个连接,所以它是有效的。但如果有多个腔,多个连接可能会使其效率低下,研究人员现在正在研究用于量子计算空腔的基本极限。

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