新的单光子源向更实用的量子网络迈进了一步

IEEE电气电子工程师学会 2022-04-22 16:10

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MINH ANH PHAN NGUYEN


量子网络可以提供本质上不可破解的通信通道,但首先它们需要可靠的单光子源。通常情况下,这些设备需要低温,这就导致其成本非常高昂且难实现。但现在,研究人员已经创造了一种在室温下工作的高质量单光子源(SPS)。


量子通信的核心承诺是能够以不被窃听者察觉的方式共享信息。它包括将信息编码成光子的量子态,然后再通过网络传输。这种方法的美妙之处在于,这些量子态一旦被测量就会崩溃,这意味着接收者将立即知道是否有人在他们面前读到了信息。


然而,只有当你能可靠地产生单个光子时,这才有效。如果你产生了不止一个光子,黑客可以简单地截获一个备用光子,读取它,让其他光子不受干扰地通过,这样接收器也无法识别。你还需要以足够快的速度产生这些单光子,以传输合理数量的数据。


据悉,能够可靠地产生大量单光子的材料通常必须使用复杂且昂贵的设备冷却到低温。其他在室温下工作的光子已经被发现,但从中塞入足够多的光子来支持量子通信已经被证明是困难的。


近日,悉尼科技大学的一个小组已经建立了一个可靠的SPS,它不需要低温冷却,可以每秒产生超过1000万个单光子,足以进行有用的量子通信任务。诀窍是将一个室温单光子发射器与一个商用透镜结合起来,使其能够聚焦输出,从而可以收集六倍数量的光子。


“说实话,这不是什么特别的事情,”该大学数学与物理科学学院的教授Igor Aharonovich表示,他是该项目的负责人,“就像戴眼镜一样,对吧?你需要看得更清楚,那么你就要用镜片。”


该设备依赖于一种称为六方氮化硼(hBN)的2D材料,该材料已成为一种很有前途的SPS,因为其结构中的杂质在受到激光或电的激发时会发射单光子。关键的是,SPS在室温下也能做到这一点;它相对稳定,在激发时很少产生超过一个光子。Aharonovich说,尽管与其他室温SPS相比,它很亮(一秒钟产生多少光子),但它本身的效率仍然不足以支持实际应用。


因此,他的团队在材料顶部放置了一种特殊的光学元件,称为固体浸没透镜(solid-immersion lens),它可以增加光子的收集角度。当激光照射在hBN上时,它会发出单光子,然后通过透镜聚焦,并由显微镜收集,然后送入光纤。


在《光学快报》的一篇论文中,研究人员证明,该系统产生的单光子足以支持量子密钥分发,这是一种量子通信形式,在这种形式中,加密密钥通过量子通道共享,以创建超安全的数据链路。


“室温单光子源将是量子网络和量子技术的奇妙工具,”瑞士伯尔尼大学的博士后研究员Alisa Javadi说,“作者在证明单光子产生在室温下具有更高的效率方面迈出了一步。”


然而,Javadi说,我们离实用设备还有很长的路要走。虽然研究人员在收集效率方面取得了显著的进步,但他估计总体数字仍然只有1%左右。即使在收集之后,当光子进入光纤时,另外56%的光子也会丢失。


新加坡国立大学量子工程项目的负责人Alexander Ling说,该设备面临的另一个问题是光子的质量。对于大多数量子通信应用来说,光子需要与它们的量子态区分开来,但hBN发射的光子通常不是这样。他说,目前还没有很好的物理模型来解释为什么会发生这种情况,这使得很难用这些材料制造出对量子通信有用的可控SPS。


不过,Aharonovic表示,由于其相对较低的成本和简单性,该设备还可以在量子通信之外应用。此前提高基于hBN的SPS效率的努力依赖于复杂的纳米制造,这既困难又昂贵,但通过使用现成的组件,该集团的设备成本约为15000美元。它也相对紧凑,装在一个50×50厘米的盒子里,重量只有10公斤。


鉴于量子技术日益重要,Aharonovich表示,该设备可能是帮助学生了解这一新兴领域的一个好方法。“对我们来说,我们的远大目标其实就是教育,”他说,“在每个本科实验室都有这样的设备将是非常棒的,因为你可以直接测量光的真实量子特性。学生们可以看到它,他们可以做他们喜欢的所有测量,而且它是可扩展的,可用的,而且无需数十万美元的高金额投入。”


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