新型硅基量子光源能稳定产生红外单光子

量子技术大有可为：几年之后，量子计算机有望彻底改变数据库搜索、人工智能系统、计算仿真。如今，量子密码学已经可以保证绝对安全的数据传输，虽然仍有一定的局限性。关键优势在于，它最有可能兼容我们目前的硅基电子学。德国亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心（HZDR）和德累斯顿工业大学的物理学家们正是在这一点上取得了显著的进展：团队设计出一款硅基光源来生成可在玻璃纤维中很好传输的单光子。

量子技术依赖于尽可能精准地控制量子粒子的行为，例如通过在磁阱中锁定单个原子，或者通过玻璃纤维发送单独的光粒子（称为“光子”）。后者是量子密码学的基础，量子密码学可以开辟一种防止窃听的通信方法：任何一个数据窃贼想要拦截光子时都会不可避免地破坏它们的量子特性。消息的发送者和接收者会察觉到这一点，并及时阻止可能造成数据泄露的传输。

示意图

这就需要可以发出单光子的光源。这种系统已经存在，特别是基于钻石的系统。但是，它们都有一个缺点。HZDR 物理学家格奥尔基·阿斯塔霍夫（Georgy Astakhov）博士解释道：“这些钻石光源只能生成频率不适合光纤通信的光子。这对实际应用造成了很大的限制。”所以，阿斯塔霍夫及其团队决定使用一种不同的材料，即久经考验的电子基础材料“硅”。

100000个单光子/秒

为了使材料生成光纤通信所需的红外光子，专家们对它们进行了特殊处理，用 HZDR 离子束中心的加速器选择性地将碳原子射入硅中。这样就在材料中创造出了所谓的“G中心”，两个邻近的碳原子与一个硅原子耦合到一起，形成一种人造的原子。

受到红色激光照射时，这种人造原子发出我们所希望的波长为1.3微米的红外光子，这个频率非常适合光纤通信。阿斯塔霍夫报告道：“我们的原型每秒可以产生十万个单光子。而且这是稳定的。甚至在连续运行几天之后，我们都没有观察到任何退化。”然而，该系统仅能在极低的温度下工作，物理学家们使用液氦将它冷却至零下268摄氏度。

阿斯塔霍夫的同事 Yonder Berencén 表示：“我们首次展示了硅基单光子光源的可能性。这样就基本上有可能使这些光源与其他光学元件集成到一颗芯片上。”此外，有意思的是，将这种光源与谐振器结合一起，可以用于解决光源大多数都是随机产生红外光子的问题。然而，量子通信的应用需要随时产生光子。

芯片上的光源

这种谐振器可以调整到正好匹配光源的波长，这样就有可能增加生成光子的数量，使它们在任何给定时间都是可用的。Berencén 表示：“这样的谐振器已经被证明可以在硅中构造。而缺少的是一个硅基单光子源。而这正是我们现在能够创造出的。”

但是在他们考虑实际应用之前，HZDR 的研究人员还需要解决一些问题，例如更加系统地生产新的电信单光子源。格奥尔基·阿斯塔霍夫解释道：“我们需要以更大的精度将碳原子植入到硅中。HZDR 的离子束中心为实现诸如此类的构思提供了一个理想的基础设施。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-09-photons-silicon-chip.html