量子物理最新突破:能产生稳定单光子的方法诞生了

作者: 来源: 发布时间:2016年11月23日 点击数:

016-11-20 DeepTech深科技

电荷是现代计算科学的关键。它使得我们能够精确地生成,监测和控制电流。当我们瞎想着置身于一个充满量子计算的世界时,我们必须提醒研究者们,没有必要去将所有的理论统一到一个等价的基本框架中。每一个我们所研究的框架都有一系列缺陷,而这些缺陷却足以让其他所有框架成立,尽管他们也会存在一些问题。

对光量子计算机来说也是同样道理。光量子计算机需要单个的光子,而现在我们用来产生单光子的光源有点…怎么说呢,糟透了。我们需要的,理想上是一个能够单独产生所需单光子的设备,如果说这个要求太高,那么至少这个设备能够做到一按下按钮就可以有能够稳定产生单光子的电流出来。

现在一个来自德国的研究团队已经声称做到了这一点。

光子的产生方法

 

产生单光子源有两种基本方法:随机产生和故意产生

 

随机生成的方法是使用一个参量放大器,用一种颜色光源去产生另一种颜色光源。如果正确设置放大器,那么每个输入光脉冲有足够的力量来产生一对光子,然后通过极化使其分离。由于这个过程是偶然的,所以说这一过程会受到大量随机噪声的影响。这种方法通常会能够得到单光子,但是经常也会什么也得不到,而有时又是得到多个光子。它的可取之处在于,你可以宣称我们制造得这一对光子,其中的一个单光子是可以用于计算的。

 

故意产生法则需要使用类似单个原子或者分子,并不停的激励它。因为它是一个单个的物体,以这种方式被激励也只会发生一种状态转变,即它有且只有可能发射出单光子。

 

但是,结果是这些源,即提到的单个原子和分子,以及量子点和其他具有类似属性的物体并不是那么的听话。受到激发以后,这些分子和量子点会向任意方向发射光。即使你以规律的方式激励它们,也无法保证它们能够产生一束可供使用的均匀单光子束。

 

除此之外,还有一个问题就是上述方法中,它们受激励后无法发射同一颜色的光,所以,当你把一个单量子点放入一个光腔试图捕捉到它发射的所有光子时,你可能会发现它发射的光根本就是这个光腔无法捕捉到的。这个问题非常常见以至于研究者们通常将冷冻的液态氙或硝基放入光腔中去调谐他的频率,从而最终使其能够捕捉到所发射出的光。这一方法理论上是可行的,但是这并不是一种可控并可量产的制造流程。

 

说到制造工艺的问题,量子点和类似的其他发射子,他们的制造过程只会给你一系列随意摆放的发射子。这意味着,发射子被制造出来以后,你必须扫描整个晶片然后找到所有可用的发射子,然后再在这些随机放置的有利用价值的点周围设计所有的光路和电路。这与一个理想的制造过程的原则又是背道而驰的。

 

所以简而言之,你可以用一个会产生一定可接受范围内噪声的方法来制造单光子,或者你可以用一个具有更高确定性但无法控制光子颜色和发射来自方向的方法产生单光子。需要记住的是两个方法都有缺陷。

 

从某种意义上来说,最近的研究是上述两种方法的混合版本。研究者用一个半导体纳米管替代了随机分布的量子点。半导体纳米管发出一组合理定义的波长,并且其发射过程是部分确定的。它的原理是,导通状态的电子由于纳米管中存在杂质而发生散射,衰变成不导通状态,在这一衰变的过程中它将会发射出一个光子。

 

换句话说,我们拥有了一个非随机分布的、按下按键可以发射方向确定的光子的办法。这正是量子物理所需要的。

 

这项设计还可应用于另外一个非常有趣的实验。因为光在波导中只会以两种方向发射——右到左或是左到右,自然而然的可以想到,只需要在纳米管的两个端口都放置一个光电转换器,就可以检测是否有单光子产生。而又因为光从纳米管左右两端发射出去的概率是等同的,所以当两端的光电检测器同时检测到有光通过时就说明此时产生的并不是我们想要的单光子。

 

近日,科研人员宣称所研发出的单光子源正是基于以上原理,但是与之相比又稍稍有些复杂,因为实际中他们将光电检测器植入了波导内部。科研人员证实,只要注入电流不太高,半导体碳纳米管将会是一个非常有效的单光子发射器,而且由于纳米管的半导特性,金属(导体)碳纳米管(比如白炽灯泡中的灯丝)也同样可以用于产生光电子,只不过在这种情况下产生的不是单光子。

 

但是无论如何,单光子的产生还是存在很大的随机性,有时你可以得到想要的结果,但却不会总是如愿以偿,而且你找不到究竟是哪里出了问题。然而这仅仅是由于单光子应用的一方面

 

单光子的发射是来源于纳米管中的杂质造成的散射现象,如果只存在一个单独的杂质,那么就有可能通过强电流冲击来确定得到一个单光子。在任意给定时间间隔下,一个单独的散射现象将会发生,从而产生一个单独的光子。而且,如果将发射器的各项参数都正确设置,你可以非常确定的说我们可以这一过程(散射现象)控制为单个发生,而不会是多个同时。

 

但是,困难在于没有人知道在一个给定的纳米管中到底有多少杂质存在。所以必须将注入电流减弱到最大只有可能在一个杂质上会发生散射,发射出光子。在这点上说,新研发出的光子发生器更像是一个类似参量振荡器的东西而非量子点(振荡器)。

 

 

统计学就是个噩梦

 

然而,他们的实验还存在一个更加根本性的问题:他们的统计假设是建立在纳米管中的杂质是互不影响的这一前提下的。如果拿一个量子点来说,我们知道,用一个电子显微镜观察,一个单独的量子点被激励时,从量子点工作原理来说它只可能产生一个单独的光子。

 

类似的情况也适用于参量放大器中:从光产生的原理来看,我们知道存在着产生不止一对光电子的可能性,但是由于测量过程是独立的,所以他们的统计假设的前提——发射过程和测量过程是互不影响的——是成立的。

 

但是如果是碳纳米管,其中可能存在着很多杂质,所以可能有不止一个光子被产生。实际上,这一可能性是发生的,在实验数据中可以很明显的看出。但是,一个无法被考虑进去的情况是,一个杂质上发生的散射有可能会激发出第二个杂质上的散射。如果是这种情况的话,纳米管任然会在一个单独方向内随机的发射出光子,这也可以看做是一个单光子的发射。

 

所以说,一个杂质上的沿某个方向的(散射)发射很有可能触发第二个杂质上的同一方向的(散射)发射。这可以说,违背了测量背后的基本假设前提。但是这可以说明他们并没有成功研制单光子源吗?实际上也不能这样否定。

 

目前为止,所以的证据都证实了一个单光子源的成功研制,但是也同样需要一个额外的测量实验去确保杂质之间的的相互触发不会造成太大的影响。所有的这些都是必要的,由于研发团队必须在波导的更深处放置第二个分束器来检测光子的产生,而不是简单的直接测量。如果这一装置得到了与理论相符的结果,那么我们就可以知道杂质之间是没有相互作用的。

 

这真的是一个可用的单光子源吗?答案是肯定的,而且还是一个非常理想的单光子源。它的使用效果要优于量子点,同时又比参量放大器更加简单,而且,波导芯片加上集成探测器和开关的组合,可能是量子计算的最佳选择了。

 

编辑:何宇红,谢伟伦

参考:http://arstechnica.com/science/2016/11/we-demand-single-photons-carbon-nanotube-delivers/

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