瑞士研究员：量子点单光子源取得突破，不同光源生成全同光子

 

6月13日，瑞士巴塞尔大学宣布，该校Richard Warburton领导的研究人员与波鸿鲁尔大学的同事合作，成功创造了来自两个不同且相距较远的源的全同光子。

 

半导体量子点是明亮且快速的相干单光子源。但在应用方面存在障碍：独立量子点产生的干涉单光子的量子相干性差。现在，研究人员使用来自两个完全独立的砷化镓(GaAs)量子点的光子，演示了可见度接近1((93.0±0.8)%)的双光子干涉。

 

通过利用量子干涉，他们展示了光子受控非电路和不同源的光子之间保真度为(85.0±1.0)%的纠缠。双光子干涉可见度足够高，以至于纠缠保真度远高于经典阈值。

 

研究成果以《来自远程GaAs量子点的全同光子的量子干涉》为题发表在《自然·纳米技术》杂志上[1]。
 

尽管巴塞尔研究人员的量子点不同，但他们发射的光子完全相同。

 

实验中，物理学家使用了量子点——半导体中只有几纳米大小的结构。电子在量子点中被捕获，因此它们只能具有非常特定的能级。从一个能级跃迁到另一个能级时发出光，在触发这种跃迁的激光脉冲的帮助下，只需按一下按钮即可产生单个光子。

 

巴塞尔大学博士后研究员、论文第一作者Lian Zhai解释说：“近年来，其他研究人员已经用不同的量子点创造了全同光子，然而，要做到这一点，他们必须使用光学过滤器从大量光子中挑选出最相似的光子。”这样，只剩下很少的可用光子。

 

Warburton团队则选择了一种不同的、更具前途的方法。

 

首先，波鸿鲁尔大学的专家生产出极其纯净的砷化镓（GaAs），并由此制成量子点。因此，不同量子点之间的自然变化可以保持在最低限度。然后，巴塞尔大学的物理学家团队使用电极将两个量子点暴露在精确调谐的电场中：这些场修改了量子点的能级，并且它们以这样的方式进行调整，即量子点发射的光子具有完全相同的波长。

 

为了证明这些光子实际上是无法区分的，研究人员将它们发送到一面半镀银的镜子上。他们观察到，几乎每次，光子要么成对穿过镜子，要么成对反射。最终他们实现了可见度(93.0±0.8)%的双光子干涉，即光子有93%是相同的。

 

此外，研究人员能够实现量子计算机的一个重要组成部分——受控非门（或CNOT门）。这样的门可以用来实现量子算法，并比经典计算机更快地解决某些问题。
 

连接远程量子点的光量子逻辑操作。(a)基于远程量子点(QD)之间双光子干扰的CNOT门的实验装置简图。来自QD2的光子用于控制量子比特，而来自QD1的光子用于目标量子比特。在门操作之后（用黄色突出显示），量子态通过重合测量来预测。(b、c)|H /|V 和|+ /|- 基的真值表。巧合事件通过对各自的输入态进行归一化来转换为概率。对于每个输入态，研究人员累积了500个巧合事件的总计数。空的虚线代表理想的CNOT操作。(d、e)由CNOT门产生的状态|Ψ- 的密度算子的实部和虚部。测量的密度矩阵的实部接近理想状态(用空条表示)。在虚数部分，所有条形的强度都低于0.03。

 

从两个不同的量子点中生成全同光子只是他们工作的第一步，未来将进一步提高性能。“现在我们全同光子的产量只有1%左右，”巴塞尔大学博士生Gian Nguyen表示，“然而，我们已经有了一个相当好的想法，即未来如何提高产量。这将使双光子方法为不同量子技术的潜在应用做好准备。[2]”