中国科大实现世界最高品质的确定性量子点单光

2019-09-11 12:47 来源:未知

中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟、陆朝阳等在国际上首次实现基于量子点脉冲共振荧光的确定性高品质单光子源。2月4日,该工作以长文的形式发表在《自然》杂志的子刊《自然•纳米技术》上。这是我国在量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上第一篇论文。

潘建伟等实现世界最佳单光子源

单光子量子计算有望借此成为现实

量子点是一种通过分子束外延方法制备的纳米晶体,又被称为“人造原子”,可以为量子保密通信和光学量子计算提供理想的单光子源。此前,加州大学、剑桥大学和斯坦福大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源。然而,由于单光子发射时间抖动、激子退相干等不可避免地引起光子品质下降,光子全同性只能达到70%左右,无法进一步应用于可扩展量子信息处理。

本报讯2月4日,英国《自然》子刊《自然—纳米技术》以长文形式,发表了中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等人关于量子点脉冲共振荧光确定性高品质单光子源的研究工作。这是我国量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上的第一篇论文。量子点是一种通过分子束外延方法制备的纳米晶体,又被称为“人造原子”,可以为量子保密通信和光学量子计算提供理想的单光子源。此前,美国加州大学、斯坦福大学和英国剑桥大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源。然而,由于单光子发射时间抖动、激子退相干等,不可避免地引起光子品质下降,光子全同性只能达到70%左右,无法进一步应用于可扩展量子信息处理。要发展能够真正实用化的光量子信息技术,关键技术之一是实现确定性的高品质单光子源。为此,微尺度物质科学国家实验室的潘建伟、陆朝阳等在国际上首次发展了一套新颖的量子点脉冲共振光学激发、多重滤波技术,显著消除了消相干效应,解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题。实验产生的单光子源信噪比超过300:1,二阶关联函数小于1.5%,光子全同性优于97%,这些技术指标使得中国在这一领域的研究跻身世界前列,为可扩展光学量子计算和基于自旋的固态量子网络的实现奠定了基础。审稿人称赞这是一个“令人惊喜的高质量实验”。 《中国科学报》 (2013-02-07 第1版 要闻)

荷兰的一个研究小组找到了一种能够完全集成在光学电路中进行光学量子计算的单光子源。该发现为单光子量子计算的出现铺平了道路。相关论文发表在最新一期的《纳米快报》杂志上。

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到目前为止,不少研究团队已经能用数个光子在小规模上进行光学量子计算,“线性光学量子计算”的可行性已获充分证明,但单光子量子计算仍然鲜有涉及。

研究人员称,要打造一个高效的单光子量子计算系统,面临的最大挑战是将多个此前互不兼容的组件整合到一个平台上。这些组件包括一个单光子源、路由设备,以及用于操纵光子的腔体、过滤器,还有量子门装置和单光子探测器。在新的研究中,研究人员创造性地将能产生量子点的单光子嵌入一段纳米导线内并将其封装在一个波导当中。要实现这一点,需要有极高的精度,他们使用了一种名为“纳米机械手”的部件。一旦进入波导内,研究人员就能操纵单光子使其进入特定的光学电路。

负责此项研究的荷兰代尔夫特理工大学的伊曼·艾斯迈尔·扎德说:“我们提出并实现了集成量子光学,它能兼顾高品质单光子源和硅基光学的优势,是一种混合解决方案。此外,与类似研究不同的是,该技术是完全确定的,即具备所选属性的量子源与量子电路是一体的。新方法有望成为未来可伸缩集成量子光学电路的基础部件。此外,该平台还为物理学家研究纳米尺度以及量子电动力学中光与物质的相互作用提供了一种新工具。”

线性光学量子计算中最重要的性能指标是单光子源与光子信道之间的耦合效率。低效率代表光子的损失,会降低计算机的可靠性。目前试验装置已经能够达到24%的耦合效率,并且经过对波导设计和相关材料的优化,这一数据有望提升到92%。

除了提高耦合效率,研究人员还计划在芯片上实现纠缠,以增加光子电路和单光子检测器的复杂性,最终在芯片上集成量子网络。

总编辑圈点

对于相互之间完全没交往的量子系统来说,光子是它们进行通信的最有前途的候选对象。尽管在研制出实打实的光学量子计算机之前,光子电路首先至少要在多任务效率上与其想要替代的传统微处理器持平,但如今一个可以集成在光学电路中的单光子源的出现,依然标志着在构建量子计算机所面临的重重困难中,人类又向前迈进了一步。

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