用于量子信息科学的下一代单光子源

在过去的二十年中，量子信息科学领域取得了巨大的进步。科学家正在利用量子力学的奇异性质来解决计算和通信以及传感和测量精密系统中的难题。该领域的研究途径之一是光量子信息处理，它使用光子-具有独特量子特性的微小光粒子。 

进行量子信息科学研究的关键资源将是可以有效而可靠地产生单光子的来源。但是，由于量子过程本质上是随机的，因此创建按需产生单个光子的光子源在每个步骤都面临挑战。

 

现在，伊利诺伊大学物理学教授Paul Kwiat和他的前博士后研究员Fumihiro Kaneda(现为东北大学跨学科科学研究所助理教授)已经建立了Kwiat认为的“世界上最高效的单光子源”。并且他们仍在改进它。通过计划的升级，该设备可以以前所未有的效率产生多达30个光子。这种口径的来源正是光量子信息应用所需的。 

Kwiat解释说：“光子是光的最小单位：爱因斯坦于1905年提出这一概念，标志着量子力学的到来。今天，光子已成为量子计算和通信领域中的一种提议资源，它的独特性质使其成为光子学的极佳候选者。充当量子位或量子位。” 

Kaneda补充说：“光子移动迅速-完美地实现了量子态的长距离传输-并且在我们日常生活的常温下表现出量子现象。” “量子位的其他有希望的候选物，例如被俘获的离子和超导电流，仅在孤立和极冷的条件下才稳定。因此，按需单光子源的开发对于实现量子网络至关重要，并且可能实现小型室温量子处理器。” 

迄今为止，有用的先驱单光子的最大产生效率一直很低。 

为什么？量子光学研究人员通常使用称为自发参数下转换(SPDC)的非线性光学效应来产生光子对。在设计的晶体中，在包含数十亿个光子的激光脉冲中，单个高能光子可以分为一对低能光子。产生一个光子对非常关键：检测到两个对中的一个(将其破坏)以“预示”另一个光子源的单光子输出的存在。 

但是要实现从一个光子到两个光子的量子转换是万无一失的。 

Kwiat指出：“ SPDC是一个量子过程，并且不确定源是否会产生任何东西，或产生一对或两对。” “产生一对精确的一对单光子的概率最多为25%。” 

东北大学跨学科科学研究所金田文弘教授。Kaneda是伊利诺伊大学香槟分校物理系Kwiat小组的前博士后研究员。 

Kwiat和Kaneda使用称为时间多路复用的技术解决了SPDC中的这种低效率问题。对于每次运行，SPDC源均等间隔地脉冲40次，产生40个“时间仓”，每个“时间仓”可能包含一对光子(尽管这种情况很少见)。每次产生一个光子对时，该对中的一个光子就会触发一个光开关，该光开关将兄弟光子路由到光延迟线(由反射镜创建的闭环)中的临时存储中。通过了解光子何时进入环路(何时检测到触发光子)，研究人员确切地知道在将光子切出之前要保持多少个周期。以这种方式，无论在这40个脉冲中的哪个产生了该脉冲对，所存储的光子总是可以同时被释放。一旦发生所有40个脉冲，Kwiat评论说：“将各种不同的可能性，所有不同的时间段映射到一个，这极大地提高了您看到事物的可能性。”