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通向光子量子网络的第一步 纳米结构革新光量子网络

2017-7-27 16:58:15      点击:

  量子点(黄色符号)每次发射一个光子(红色波包)。该量子点嵌入在一个光子晶体结构中,该光子晶体结构通过在半导体材料中蚀刻孔洞(图中黑色圆形符号)而获得。由于这些孔洞,光子不能在所有方向上发射,而是只能沿着通过省略一些孔洞来形成的波导发射。

通向光子量子网络的第一步 纳米结构革新光量子网络


  先进的纳米结构正在对基于光的量子网络的量子技术进行革新。尼尔斯波尔研究所的研究人员已经开发出了第一个构建量子网络的复杂量子光子回路所需要的基本单元。量子网络的这一快速发展在科学期刊《自然》的一篇文章中进行了突出显示。

  基于光(光子)的量子技术被称为量子光子学,而电子学是以电子为基础。光子(光粒子)和电子在量子水平上的表现非常不同。量子实体是微观世界中最小单元。例如,光子是光的基本组成部分,电子是电流的基本组成部分。电子是所谓的费米子,可以很容易被分离出来,从而以一次一个电子的形式传导电流。相反,光子是玻色子,它喜欢挤在一起。但是由于基于光子的量子通信的信息是编码在单个的光子内,因此有必要以每次一个的方式来发射和发送它们。

  增加信息容量

  基于光子的信息有很大的优势;光子与环境的相互作用非常微弱——这一点与电子不同,所以光子不会在路上丢失太多的能量,因此可以远距离传输。因此,光子非常适合携带和分发信息,基于光子的量子网络将能够比现有的计算机技术加密更多的信息,而且这些信息不会在途中被截获。

  世界上的许多研究小组正在这一研究领域进行大量的研究,该领域现在发展迅猛,实际上,第一批商业量子光子学产品正在开始生产。

  控制光子

  量子网络的先决条件是能够根据需要来产生单光子流,而尼尔斯玻尔研究所的研究人员成功地做到了这一点。

  “我们开发出了一种光子芯片,它就像一把光子枪一样。该光子芯片由一个非常小的晶体构成,它只有10微米宽和160纳米厚。嵌入在芯片中间的是一个光源,这就是所谓的量子点。

  用激光照射量子点将会激发一个电子,该电子然后可以从一个轨道跳到另一个轨道,从而一次发出一个光子。光子通常可以往所有方向发射,但该光子芯片的目的是使所有的光子都通过一个光子波导进行发射,”Peter Lodahl解释说,他是哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所量子光子学研究组组长。

  经过一个长期而艰苦的过程,该研究小组进一步开发和测试了该光子芯片,直到其达到极致效率,Peter Lodahl解释说,令他们特别惊讶的是他们甚至可以得到一种以前没想过有可能的光子发射的方式。正常情况下,光子在光子波导中会沿着两个方向进行传输,但在他们定制化的光子芯片中,他们可以打破这种对称性,并使该量子点区分向左和向右发射光子,这意味着可以发射定向光子。这意味着对光子的完全控制,研究者们开始探索如何基于这项新发现来构建完整的量子网络系统。

  “这些光子可以通过光纤来进行远距离传输,它们可以几乎没有损失地通过光纤。你有可能能建立起一个网络,在该网络中光子将小的量子系统连接在一起,从而使这些小量子系统连接在一起形成一个量子网络——量子互联网,”Peter Lodahl解释道 。

  他补充说,虽然第一个基本功能已经实现,但是现在最大的挑战是将其扩展到大型复杂的量子网络上。