近日,美国伊利诺伊大学物理学系教授 Paul Kwiat 以及他之前的博士后研究员 Fumihiro Kaneda(现在是www.1999gm.com青青青在线观看视频18-青青青视频在线观看 超东北大学跨学科前沿研究所的助理教授),构建出一款 Kwiat 所认为的“全球最高效的单光子光源”。而且,他们仍然在改进这款单光子源。通过精心安排的升级,该装置能以前所未有的效率产生逾30个光子,而光学量子信息应用正需要这种能力。


伊利诺伊大学开发出全球最高效的单光子光源 助力光学量子信息应用



2019年10月4日,研究人员们将当前的研究成果在线发表在《科学进展(Science Advances)》期刊上。


技术


Kwiat 解释道:“光子是光的最小单元,爱因斯坦于1905年引入这一概念,它标志着量子力学的萌芽。如今,在量子计算与通信中,光子成为了一种被寄予厚望的资源,其独特的性质使之成为了量子位(qubit)的杰出候选对象。”


Kaneda 补充道:“光子移动得很快,非常适合量子状态的长距离传输,并能在我们日常生活的常温条件下展现出量子现象。对于量子位来说,其他有前景的候选对象,例如离子阱和超导电流,只有在与世隔绝的极冷条件下才是稳定的。所以开发随需应变的单光子光源,对于实现量子网络来说至关重要,并且有可能实现室温下的量子处理器。”


迄今为止,有价值的单光子的最大产生效率一直相当低。


www.色情帝国2017.com?量子光学研究人员通常采用一种非线性的光学效应,也称为“自发参量下转换(SPDC)”来产生光子对。在设计好的晶体中,一束含有数十亿个光子的激光脉冲中的单个高能光子可以分裂成一对低能光子。产生这对光子至关重要:这对光子中的一个光子被检测到(这样会破坏光子对),“宣告”了另一个光子的存在,即光子源输出单光子。


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用自发参量下转换技术制备纠缠的光子对


然而,实现从一个光子到两个光子的量子转换却困难重重。


Kwiat 表示:“SPDC 是一个量子过程,我们不确定光子源产生的是零对光子,或者一对光子,或者两对光子。准确来说,产生一对单光子的可能性大约是25%。”


Kwiat 和 Kaneda 采用一项称为“时分多路复用”的技术解决了这个低效率的问题。对每次运行来说,SPDC 光源在相等时间间隔内发出40次脉冲,产生出40个“时间仓”,每个时间仓都可能含有一对光子(尽管可能性非常低)。每一次当有一对光子产生时,这一对光子中的一个光子就会触发光开关,光开关使配对的另一个光子进入到光学延迟线(由镜子创造出的闭环系统)的暂时存储器中。通过知道光子何时进入闭环系统(当触发光子被检测到时),研究人员就能准确地知道,在他们断开脉冲之前,保持光子的周期是多少。通过这种方式,无论40个脉冲中的哪一个脉冲产生光子对,存储的光子总是可以同时被释放。一旦40个脉冲全部产生,存储的光子会被一起释放,仿佛它们来自同一个时间仓。


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Kwiat 评论道:“将一系列不同的可能性(所有不同的时间仓)映射成一个,极大改善了你看到某些东西的可能性。”


发出40次脉冲从根本上保证了每次至少产生一个光子对。


更重要的是,存储光子的延迟线每个周期的损失率仅为1.2%;因为光源发出很多次脉冲,所以低损失率非常关键。否则,在前几次脉冲中产生的光子很容易丢失。


当光子最终被释放时,它们高效率地耦合到单模光纤中。为了在量子信息应用中发挥作用,光子需要处于这种状态。


Kwiat 指出,以这种方式产生光子,效率提升得很显著。例如,假设一个称为“12光子光源”的应用,研究人员就可以让6个独立的 SPDC 光源排成一行,等待每个光源同步生成单个光子对。


Kwiat 表示:“目前,世界上采用这些多光子状态的最有竞争力的实验,必须等待两分钟,直到它们获得一次这种事件。它们每秒钟发出脉冲8千万次(它们尝试了很多次),但是它们还是只能约每两分钟等到一次这样的事件,即每个光源精确地产生一对光子。”


“我们可以基于我们的速率来计算产生那种情况的可能性。实际上,我们运行得有点慢,我们仅仅尝试了每2微秒(它们像平时一样尝试了160次)但我们的效率比采用多路复用要高得多,实际上我们每秒可以产生出4000次12光子事件。”


换句话说,Kwiat 和 Kaneda 的生产速率要快50万倍。


然而,如 Kwiat 所指出,还有一些问题有待解决。其中一个问题来自下转换过程的随机天性:有可能产生的是多光子对而不是单光子对。进一步说,因为这个实验中采用的下转换过程的效率相对较低,光源被以更高的速率“驱动”,增加了这种无用的多光子对产生的可能性。


即便考虑到潜在的多光子事件,这个实验的效率水平还是创造了世界记录。


未来


那么,下一步 Kwiat 的团队将如何应对这些无用的多光子事件?


Colin Lualdi,目前是 Kwiat 课题组的研究生,正致力于通过光子数分辨探测器来升级光源。这种探测器将在延迟线被触发来存储它们之前来丢弃多光子事件。这种改善将完全消除多光子事件的问题。


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Kwiat 团队正在研究的另一个领域就是,提升单光子光源装置单个部件的效率。Lualdi 相信,未来的提升将会使单光子生产率远远超越目前的实验。


Lualdi 解释道:“最终目标就是能准备单个纯净的量子状态,我们可以利用这种量子状态,以超越经典方案的方式编码和处理信息。因此,这些光源产生单光子,是非常重要的。如果光源意外地生成两个光子而不是一个光子,那么我们就不会得到我们所想要的基本构件。”


为了能通过这些光子量子位开展任何有意义的量子信息处理,大量供应也是需要的。


Kwiat 表示:“这个领域正在超越仅1个或者2个光子的实验。人们正在尝试10至20个光子的实验,最终我们将拥有50到100个光子。”


Kwiat 表示,这项研究所带来的改善,将为高效产生30个光子的能力铺路。Kwiat 和 Kaneda 的成果让我们离将光学量子信息处理变为现实又更近了一步。


背景


过去二十年来,科学家在量子信息科学领域取得了巨大进展。他们利用量子力学奇特的天性,来解决计算与通信领域以及精密感测系统中的难题。


该领域的研究途径之一就是光学量子信息处理。它利用了光子,即具有独特量子特性的微小光粒子。


为了推进量子信息科学领域的研究,一项关键的资源就是高效且可靠地产生单光子的光源。然而,因为量子过程天生具有随机性,所以创造一个按需产生单光子的光源,每一步都具有挑战性。


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