6月13日，瑞士巴塞爾大學(xué)宣布，該校Richard Warburton領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與波鴻魯爾大學(xué)的同事合作，成功創(chuàng)造了來自兩個不同且相距較遠(yuǎn)的源的全同光子。

 

半導(dǎo)體量子點是明亮且快速的相干單光子源。但在應(yīng)用方面存在障礙：獨(dú)立量子點產(chǎn)生的干涉單光子的量子相干性差。現(xiàn)在，研究人員使用來自兩個完全獨(dú)立的砷化鎵(GaAs)量子點的光子，演示了可見度接近1((93.0±0.8)%)的雙光子干涉。

 

通過利用量子干涉，他們展示了光子受控非電路和不同源的光子之間保真度為(85.0±1.0)%的糾纏。雙光子干涉可見度足夠高，以至于糾纏保真度遠(yuǎn)高于經(jīng)典閾值。

 

研究成果以《來自遠(yuǎn)程GaAs量子點的全同光子的量子干涉》為題發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上[1]。
 

盡管巴塞爾研究人員的量子點不同，但他們發(fā)射的光子完全相同。

 

實驗中，物理學(xué)家使用了量子點——半導(dǎo)體中只有幾納米大小的結(jié)構(gòu)。電子在量子點中被捕獲，因此它們只能具有非常特定的能級。從一個能級躍遷到另一個能級時發(fā)出光，在觸發(fā)這種躍遷的激光脈沖的幫助下，只需按一下按鈕即可產(chǎn)生單個光子。

 

巴塞爾大學(xué)博士后研究員、論文第一作者Lian Zhai解釋說：“近年來，其他研究人員已經(jīng)用不同的量子點創(chuàng)造了全同光子，然而，要做到這一點，他們必須使用光學(xué)過濾器從大量光子中挑選出最相似的光子。”這樣，只剩下很少的可用光子。

 

Warburton團(tuán)隊則選擇了一種不同的、更具前途的方法。

 

首先，波鴻魯爾大學(xué)的專家生產(chǎn)出極其純凈的砷化鎵（GaAs），并由此制成量子點。因此，不同量子點之間的自然變化可以保持在最低限度。然后，巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊使用電極將兩個量子點暴露在精確調(diào)諧的電場中：這些場修改了量子點的能級，并且它們以這樣的方式進(jìn)行調(diào)整，即量子點發(fā)射的光子具有完全相同的波長。

 

為了證明這些光子實際上是無法區(qū)分的，研究人員將它們發(fā)送到一面半鍍銀的鏡子上。他們觀察到，幾乎每次，光子要么成對穿過鏡子，要么成對反射。最終他們實現(xiàn)了可見度(93.0±0.8)%的雙光子干涉，即光子有93%是相同的。

 

此外，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)量子計算機(jī)的一個重要組成部分——受控非門（或CNOT門）。這樣的門可以用來實現(xiàn)量子算法，并比經(jīng)典計算機(jī)更快地解決某些問題。
 

連接遠(yuǎn)程量子點的光量子邏輯操作。(a)基于遠(yuǎn)程量子點(QD)之間雙光子干擾的CNOT門的實驗裝置簡圖。來自QD2的光子用于控制量子比特，而來自QD1的光子用于目標(biāo)量子比特。在門操作之后（用黃色突出顯示），量子態(tài)通過重合測量來預(yù)測。(b、c)|H /|V 和|+ /|- 基的真值表。巧合事件通過對各自的輸入態(tài)進(jìn)行歸一化來轉(zhuǎn)換為概率。對于每個輸入態(tài)，研究人員累積了500個巧合事件的總計數(shù)。空的虛線代表理想的CNOT操作。(d、e)由CNOT門產(chǎn)生的狀態(tài)|Ψ- 的密度算子的實部和虛部。測量的密度矩陣的實部接近理想狀態(tài)(用空條表示)。在虛數(shù)部分，所有條形的強(qiáng)度都低于0.03。

 

從兩個不同的量子點中生成全同光子只是他們工作的第一步，未來將進(jìn)一步提高性能。“現(xiàn)在我們?nèi)庾拥漠a(chǎn)量只有1%左右，”巴塞爾大學(xué)博士生Gian Nguyen表示，“然而，我們已經(jīng)有了一個相當(dāng)好的想法，即未來如何提高產(chǎn)量。這將使雙光子方法為不同量子技術(shù)的潛在應(yīng)用做好準(zhǔn)備。[2]”