新研究表明量子点发射器的光子违反了贝尔不等式
《自然物理学》杂志的一项新研究展示了一种利用量子点产生量子纠缠的新方法，这种方法违反了贝尔不等式。这种方法使用超低功率水平，可以为可扩展且高效的量子技术铺平道路。量子纠缠是量子计算技术的必要条件。在这种现象中，量子比特（量子位）——量子计算机的组成部分——无论物理距离如何，都会相互关联。
这意味着，如果测量一个量子比特的属性，就会影响另一个量子比特。量子纠缠通过贝尔不等式来验证，该定理通过测量纠缠量子比特来测试量子力学的有效性。
Phys.org 采访了这项研究的第一作者、丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的刘世凯博士。刘博士对量子点的兴趣源于他早期对传统纠缠源的研究。
他告诉 Phys.org：“在攻读博士学位期间，我致力于利用自发参量下转换 (SPDC) 生成纠缠光源。然而，块状晶体固有的弱非线性使得充分利用泵浦光子变得困难。量子点在单光子水平上的巨大非线性引起了我的注意，并引导我进行这项研究。”
贝尔不等式
如前所述，这项研究的核心是贝尔不等式。该数学表达式由物理学家约翰·斯图尔特·贝尔于 1964 年提出，有助于区分经典行为和量子行为。
在量子世界中，粒子可以表现出比经典世界中更强的关联。贝尔不等式提供了一个阈值：如果关联超过这个阈值，则关联的性质是量子的，这意味着量子纠缠。
刘博士进一步解释道：“贝尔不等式区分了经典关联和量子关联。任何局部现实理论都必须满足以下条件：所有测量到的粒子间关联必须小于或等于二。”
研究人员利用这一点确定了实验的有效性，以及他们构建的装置是否产生了量子纠缠。该装置本身基于量子点和波导。
芯片上的人造原子
量子点是一种纳米级结构，其行为类似于人造原子。本质上，它们是设计用于在其结构中捕获中性激子的半导体芯片。
通过将中性激子困在狭小空间内，激子会表现出量子化的能量状态，就像它们被限制在原子中一样。这就是为什么量子点被认为表现得像人造原子。
这些量子点充当两级系统，类似于自然原子，但具有集成到芯片中的优势。此外，可以根据量子点的尺寸和成分调整能级。
量子点系统可以充当发射系统，这意味着它们可以高效发射单个光子。在某些条件下，发射的光子可以纠缠在一起。
与波导耦合
为了提高量子点发射光子的效率、相干性和稳定性，研究人员将其与光子晶体波导结合在一起。
这些材料具有高折射率材料和低折射率材料交替的周期性结构，这使得光能够通过像人的头发一样细的管状结构进行引导。
因此，波导可以控制和操纵光在方向和波长方面的传播，从而增强光与物质的相互作用。
然而，实现波导和量子点之间的有效耦合面临着巨大的挑战。
“为了改善光与物质的相互作用，我们制作了一种光子晶体波导，为量子点提供强大的限制，”刘博士解释说。“这不仅使发射光进入波导的耦合效率高（大于 90%），而且通过减慢纳米结构中的光速并增加其与量子点的相互作用时间，使 Purcell 增强了 16 倍。”
珀塞尔增强是指当将量子发射体（如量子点）放置在谐振光学腔中或结构化光子环境附近时，其自发辐射速率会增加的现象。
简单来说，珀塞尔增强技术通过将量子发射器置于能够增强其与光相互作用的环境中来增强其光发射。其工作原理是改变发射器周围区域内光发射方式的数量。
违反贝尔不等式
研究团队还必须应对晶格热振动引起的快速失相（相干性快速丧失）问题。这些振动会破坏粒子的稳定量子态，使其更难保持和准确测量其量子特性。
他们的解决方案是将芯片冷却至-269°C，以最大限度地减少量子点和半导体材料中的声子之间不必要的相互作用。
一旦他们的两级发射系统安装到位，可以产生纠缠光子，研究人员就会使用两个不平衡的马赫-曾德干涉仪进行 CHSH（克劳塞-霍恩-西莫尼-霍尔特）贝尔不等式测试。CHSH 是贝尔不等式的一种形式。
通过精心设置干涉仪相位，研究人员测量了发射光子之间的弗兰森干涉。弗兰森干涉是在涉及纠缠光子的量子光学实验中观察到的一种干涉图案。
刘博士说：“我们测量得到的 S 参数为 2.67 ± 0.16，明显高于局域边界 2。这一结果证实了贝尔不等式的违反，从而验证了通过我们的方法产生的能量-时间纠缠态。”
这种违反至关重要，因为它证实了光子之间关联的量子性质。
能源效率和未来工作
其两级发射器设置的突出特点之一是其能源效率。
纠缠是在低至 7.2 皮瓦的泵浦功率下产生的，比传统的单光子源低约 1,000 倍。这种超低功耗操作与片上集成相结合，使该方法在实用量子技术中具有极高的前景。
刘博士设想了几个令人兴奋的未来研究方向。“其中一条途径是通过多个两级发射器的非弹性散射探索复杂的光子量子态和多体相互作用，”他建议道。“此外，将我们的方法进一步集成到兼容的光子电路中，将以较小的占用空间实现更多功能，增强涉及计算、通信和传感的多功能光子量子应用。”
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