量子光研究能够实现几乎相同的光子源

你可以拥有的最小光量是一个光子，所以它很暗，以至于人类几乎看不到它。虽然难以察觉，但这些微小的能量点对于携带量子信息非常有用。理想情况下，每个量子信使都是相同的，但没有一种直接的方法来产生相同光子流。当单个光子来自制造的芯片时，这尤其具有挑战性。

现在，马里兰大学的研究人员已经展示了一种新方法，可以使不同的设备重复发射几乎相同的单光子。由UMD副教授Mohammad Hafezi领导的团队制作了一个硅芯片，可以引导设备边缘的光线，从而保护设备不受干扰。

此前，拥有电气和计算机工程系，UMD 工程师 A. James Clark工程学院，UMD 联合量子研究所和UMD 电子与应用物理研究所的 Hafezi与同事一起表示这种设计可以降低光信号衰减的可能性。他们的研究结果于9月10日在线发表在Nature上。

“我们最初认为我们需要更加小心设计，并且光子对我们芯片的制造工艺会更敏感，”主要作者Sunil Mittal说，他是UMD电子和应用研究所的助理研究科学家。物理学和联合量子研究所的博士后研究员。“但令人惊讶的是，无论芯片有多糟糕，这些屏蔽边缘通道中产生的光子总是几乎相同。”

在这项工作中，该团队发现，沿着芯片边缘保护光线的相同物理特性也确保了可靠的光子产生。单光子是量子光的一个例子，它不仅仅是真正暗淡的光。这种区别与光源的来源有很大关系。

美国陆军研究实验室和联合量子研究所的研究员，该研究的共同作者伊丽莎白戈德施密特说：“我们日常生活中遇到的所有光线都充满了光子。” “但与灯泡不同，有一些光源实际发光，一次发光，这只能通过量子物理来描述。”

许多研究人员正致力于构建可靠的量子光发射器，以便它们能够隔离和控制单光子的量子特性。Goldschmidt解释说，这些光源可能对未来的量子信息设备很重要，也可能进一步了解量子物理学的奥秘。“现代通信在很大程度上依赖于非量子光，”Goldschmidt说。“同样，我们中的许多人都认为单个光子将被用于任何类型的量子通信应用。”

科学家可以使用自然变色过程产生量子光，这种过程在光束通过某些材料时发生。在这个实验中，团队使用硅作为引导光的常用工业选择，将红外激光转换成成对的不同颜色的单光子。

他们将光线注入包含一系列微小硅环的芯片中。在显微镜下，环状物看起来像连接玻璃状的赛道。在移动到相邻的环路之前，光在每个环路周围循环数千次。延伸出来，光线的路径将长达几厘米，但是这些环路可以使旅程适合大约小500倍的空间。需要相对较长的旅程才能从硅芯片中获得许多对单光子。

这种环形阵列通常用作单光子源，但芯片之间的微小差异将导致光子颜色从一个器件到另一个器件变化。即使在单个器件中，材料中的随机缺陷也可能降低平均光子质量。对于量子信息应用来说，这是一个问题，研究人员需要光子尽可能接近相同。

该团队通过以一种始终允许光线在芯片边缘周围不受干扰的方式排列环路来规避这个问题，即使存在制造缺陷。这种设计不仅可以防止光线受到干扰 - 它还限制了单个光子在这些边缘通道中的形成方式。无论环之间的微观差异如何，环路布局基本上迫使每个光子对几乎与下一个光子对相同。芯片的中心部分不包含受保护的路径，因此在这些区域中产生的任何光子都受到材料缺陷的影响。

研究人员将他们的芯片与没有任何受保护路线的芯片进 他们收集了来自不同芯片的光子对，计算了发射的数量并记录了它们的颜色。他们观察到他们的量子光源一次又一次地可靠地产生高质量的单色光子，而传统芯片的输出更难以预测。

根据Mittal的说法，这种器件比其他单光子源具有一个额外的优势。“我们的芯片在室温下工作。我不需要像其他量子光源那样将其冷却到低温，这使得它成为一种相对非常简单的设置。“

该团队表示，这一发现可以开辟一条新的研究途径，将量子光与具有内置保护功能的光子器件结合在一起。“物理学家最近才意识到，屏蔽通道从根本上改变了光子与物质相互作用的方式，”米塔尔说。“这可能对光物质相互作用发挥作用的各个领域产生影响，包括量子信息科学和光电子技术。”