对光子状态进行分类的装置可能对量子光学计算机电路有用

Josiah02 · 发表于 2024-9-4 17:36:45

为了构建基于光的量子技术，科学家和工程师需要能够生成和操纵单个或多个光子。要构建可用于光学量子计算机的量子光子逻辑门，需要一种特殊的介质，这种介质允许少量光子之间发生强烈且可控的相互作用。
其中一种方法虽然很困难，但就是使用“一维原子”，这是一种根据特定光子状态（单光子、光子对、光子三重态等）的输入发射光子的装置。简而言之，就是光子筛选器。
创造一个一维原子（其一维是入射光子到达的线）并不容易。它必须基本上 100% 的时间与入射光子相互作用，不受噪声和退相干的影响，而一维原子会受到光子和原子局部环境的干扰。
原子集合已被使用，它们一起充当超原子或波导中的发射器。腔量子电动力学提供了另一种可能性——单个发射器嵌入微腔中。嵌入的发射器可能是原子、离子、分子或行为像原子的量子点。
由巴塞尔大学理查德·沃伯顿领导的瑞士和德国研究小组利用量子点构建了这种光子门，其研究成果发表在《物理评论快报》杂志上。
量子点由半导体纳米晶体制成，是纳米尺寸的物体，其光学和电子特性受量子力学规则支配。这个特殊的量子点宽 20 纳米，嵌入光学腔的两个反射壁之间，有效地形成了一个一维原子，并放置在可以控制和改变腔长的设备中。
由单光子或多光子组成的弱激光从顶部进入腔体并撞击量子点。如果量子点的能级差与光子能量相匹配，量子点就会吸收它。在这种情况下，量子点会发射出具有该能量的光子，并从顶部反射回来。
光子筛选装置的示意图，显示量子点被光学腔包围，上方有偏振分束器。图片来源：Natasha Tomm 等人，巴塞尔大学和波鸿鲁尔大学，通过 CC-BY（4.0 国际）许可
但是，如果从顶部传入的光子状态由两个或多个光子组成，则该状态与量子点的相互作用会发生变化，传出状态的极化（其电场方向）也会发生变化。在点的顶部放置一个偏振滤光片（“分束器”），反射的单个发射光子会从一个方向（端口 1）通过，而反射的多光子状态会在另一个方向（端口 2）反射。
这样，入射光束就被分离成单光子状态和多光子状态。由几种不同光子状态组成的光源产生单光子光束，可用于量子技术、光学计算机电路或其他应用。该设备充当单光子的镜子。
在实验中，研究小组发现 99.2% 的入射光束被分裂成多光子状态，只剩下纯单光子，这表明量子点-光腔相互作用效率很高。测量所谓的二阶相关函数（光子聚束的量度，是非线性的量度）得出的值为 587。
研究人员写道：“据我们所知，这是迄今为止观察到的最大的因非线性而产生的光子聚束。”其他实验装置此前的最佳值为 20。
腔体结构允许通过移动量子点相对于光学腔体的位置来调整和操纵透射光，而无需对设置进行外部更改。这改变了点和腔体之间的耦合；透射光子的强聚束实际上可以改变为反聚束。
他们写道：“量子点的行为会根据光子的数量而发生根本性的变化。这会导致巨大的聚集，因为只有多光子状态才能传输。”
区分观察到的光子数允许在单光子水平上发生相互作用。这些结果可能导致创建有用的光子束缚态，其中两个或多个光子紧密结合在一起。光子通常不会相互作用，这是光纤通信的一个有用特性。但对于某些应用，例如经典和量子信息处理，光子之间的相互作用是必需的，但需要一种非常非线性的介质，就像这里开发的介质一样。
这种非线性光子过程已在光子频率转换、光放大和光感应等应用中得到应用。该装置产生的其他奇异光子状态可能有助于理解受控环境中的许多身体现象。

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