科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種巧妙的新方法來(lái)控制量子點(diǎn)（可以釋放單個(gè)光子的微小晶體）發(fā)出的光。這一進(jìn)步可能帶來(lái)更快、更便宜、更實(shí)用的量子技術(shù)，從超安全通信系統(tǒng)到探索量子物理學(xué)奇異基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)。

新方法采用一種名為受激雙光子激發(fā)的純光學(xué)技術(shù)，直接從量子點(diǎn)產(chǎn)生不同偏振態(tài)的光子流，無(wú)需任何主動(dòng)開關(guān)元件。圖片來(lái)源：因斯布魯克大學(xué)

量子點(diǎn)是一種能夠按需釋放單光子的微小半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，使其成為未來(lái)光子量子計(jì)算機(jī)的有力候選者。難點(diǎn)在于，沒(méi)有兩個(gè)量子點(diǎn)完全相同，而且每個(gè)量子點(diǎn)發(fā)出的光顏色可能略有不同。這種差異阻礙了研究人員將多個(gè)量子點(diǎn)組合起來(lái)以創(chuàng)建多光子態(tài)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家通常依賴單個(gè)量子點(diǎn)，然后借助快速電光調(diào)制器將其光分解成不同的空間和時(shí)間模式。缺點(diǎn)是這些調(diào)制器成本高昂，通常需要高度定制的設(shè)計(jì)，而且效率低下，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的能量損失。

由因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系光子學(xué)小組的Vikas Remesh領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，與來(lái)自劍橋大學(xué)、林茨約翰內(nèi)斯開普勒大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的合作伙伴共同開展的研究，現(xiàn)已展示了一種繞過(guò)這些挑戰(zhàn)的方法。他們的方法依賴于一種稱為受激雙光子激發(fā)的全光學(xué)過(guò)程。該技術(shù)允許量子點(diǎn)發(fā)射具有不同偏振態(tài)的光子流，而無(wú)需電子開關(guān)硬件。

在測(cè)試中，研究人員成功產(chǎn)生了高質(zhì)量的雙光子態(tài)，同時(shí)保持了優(yōu)異的單光子特性。

該研究的第一作者 Yusuf Karli 和 Iker Avila Arenas 解釋說(shuō)：“該方法的工作原理是首先用精確定時(shí)的激光脈沖激發(fā)量子點(diǎn)以產(chǎn)生雙激子狀態(tài)，然后用偏振控制的刺激脈沖確定性地觸發(fā) 所需偏振中的光子 發(fā)射?！?/p>

“在光子學(xué)小組完成我的碩士論文對(duì)我來(lái)說(shuō)是一次奇妙的經(jīng)歷，”伊克爾·阿維拉·阿雷納斯 (Iker Avila Arenas) 回憶道，他是伊拉斯謨世界計(jì)劃安全可靠性與安全性光子學(xué)聯(lián)合碩士項(xiàng)目 2022-2024 屆學(xué)生之一，曾在因斯布魯克呆了 6 個(gè)月。

“這種方法之所以特別巧妙，是因?yàn)槲覀儼褑喂庾影l(fā)射之后的昂貴、損耗誘導(dǎo)電子元件的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到了光激發(fā)階段，這是使量子點(diǎn)源在實(shí)際應(yīng)用中更加實(shí)用的重要一步，”該研究的首席研究員 Vikas Remesh 指出。

展望未來(lái)，研究人員設(shè)想擴(kuò)展該技術(shù)，使用特殊設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生具有任意線性偏振狀態(tài)的光子。

因斯布魯克光子學(xué)研究小組負(fù)責(zé)人 Gregor Weihs 解釋說(shuō)：“這項(xiàng)研究在安全量子密鑰分發(fā)協(xié)議中具有直接應(yīng)用，其中多個(gè)獨(dú)立的光子流可以實(shí)現(xiàn)與不同方的同時(shí)安全通信，并且多光子干涉實(shí)驗(yàn)對(duì)于測(cè)試量子力學(xué)的基本原理也非常重要?！?/p>

該研究發(fā)表在 《npj Quantum Information》 上，代表了量子光學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)和光子工程等領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的合作成果。

編譯自/scitechdaily