美取得单光子技术进展：硅芯片边缘生成原始量子光源

▲研究人员在芯片上配置硅环，以发射应用于量子信息处理的高质量光子。

人类已知的最小光量是一个光子，虽然它微弱得几乎肉眼不可见、处于人的感知范围之外，但是这些微小的能量粒子在传输量子信息方面却可能大有作为。理想情况下，每颗充当“量子信使”的粒子都应该是一样的，然而，之前一直没有一种直接的手段可以产生具有相同光子的粒子流，并且当使用人造芯片来生成单个光子时，让光子保持一致尤其具有挑战性。

最近，由美国马里兰大学（UMD）物理系、国家标准与技术研究所（NIST）和物理科学实验室（LPS）共同组建的美国联合量子研究所（Joint Quantum Institute, 简称JQI）的研究人员发现了一种新的方法，能让不同的设备持续发射几乎一样的单个光子。由JQI研究员穆哈默德·哈菲兹（Mohammad Hafezi）领导的研究小组制造了一种硅芯片，它可以引导光线沿着设备的边缘游走，而在这条线路中，光子天生就能避免受到干扰。早前，哈菲兹的团队已经证明这种设计可以降低光信号衰减的可能性。据《自然》（Nature）杂志网络版9月10日刊发的一篇研究论文称，该研究小组阐释了在保护沿芯片边缘游走的光线的同时，该装置的物理过程还可以确保稳定可靠的单个光子生成量。

该研究论文的作者之一、美国陆军研究实验室（US Army Research Laboratory）研究员伊丽莎白·戈德施密特（Elizabeth Goldschmidt）介绍道：“我们在日常生活中遇到的几乎所有光线都充满了光子，但是与灯泡不同的是，有一些光源能够每次只发射一个光子，而这只能用量子物理学来解释和描述。”许多研究人员都正在致力于打造稳定可靠的量子光发射器，以便他们能够将单个光子的量子特性分离出来并加以控制。戈德施密特指出，研究这样的光源或许对于未来的量子信息设备以及进一步理解量子物理学的奥秘都是意义非凡的。她解释道：“现代通信手段在很大程度上依赖于非量子光，同理，我们之中的很多人都认为，对于任何量子通信的应用而言，生成单个光子都是必需的。”

科学家们可以利用一种自然的变色过程来生成量子光，而这种变色过程发生在光束穿过特定材质时。在这次实验中，研究小组选择使用硅——一种在工业上常见的导光材料——将红外激光转换成不同颜色的成对单个光子。该研究论文的第一作者、JQI博士后研究员苏尼尔·米塔尔（Sunil Mittal）回顾道：“我们最初的考虑是，我们需要在设计上更加小心，因为光子针对我们的芯片的制造过程有更加敏感的反应和表现。但是令人惊讶的是，无论芯片的质量有多糟糕，在芯片被屏蔽的边缘通道中产生的光子几乎总是完全相同的。”

米塔尔指出，这个装置与其他的单光子源相比，还有一个额外的优势。她说：“我们的芯片能在正常室温下工作。我不需要像使用其他量子光源时那样把它冷却到超低温，从而让它的运行设置变得相对简单。”研究小组称，这一发现将为该量子光研究开辟一条新的路径，引领将量子光与具有内置保护功能的光子器件相结合的研究方向。米塔尔展望道：“物理学家们最近才意识到（该芯片边缘）被屏蔽的（导光）路径从根本上改变了光子与物质发生相互作用的方式，而这可能会对许多以光-物质相互作用为核心的应用领域产生潜在的影响，比如量子信息科学和光电子技术。”

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编译：朱明逸 

审稿：alone 

责编：张梦

期刊来源：《自然》

期刊编号： 0028-0836

原文链接：

https://phys.org/news/2018-09-pristine-quantum-source-edge-silicon.html

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