中科大在基於單光子源的量子精密測量方面取得新思路

2020-12-04 儀器網

量子信息是量子物理與信息技術相結合發展起來的新學科,主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態、遠距離量子通信的技術等等;量子計算主要研究量子計算機和適合於量子計算機的量子算法。

近日,中科大與美國普林斯頓大學、德國維爾茲堡大學合作在同時具備高純度、高不可分辨、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮,為基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎。單光子源是光量子信息技術中的關鍵器件,不僅可以應用於量子通信、量子計算(特別是玻色取樣),同時也是量子精密測量的重要資源。量子精密測量中的一個重要方向是減少由於探測有限粒子而引起的統計漲落——散粒噪聲。

中科大研究組長期致力於發展高品質的單光子源,首創了脈衝共振螢光方法,利用微腔耦合提高單光子提取效率。2019年,通過雙色激發[Nature Phys. 15, 941]和極化腔方案[Nature Photon. 13, 770]成功解決單光子由於極化損耗而至少損失50%的科學難題。在此基礎上,研究小組發展了高品質單光子源,通過對共振螢光的直接測量,證明了0.59 dB的強度壓縮,在第一物鏡處的壓縮量達到3.29 dB。這是自從2000年實現量子點單光子源後,科學家通過20年的努力首次在該體系直接觀測到強度壓縮,為基於單光子源的無條件超越經典極限的精密測量奠定了科學基礎,也為在極低光功率下定義發光強度坎德拉這一基本國際單位提供了一條新的途徑。

說無論外界怎麼激發(連續雷射或脈衝雷射或是電致激發),該系統只能在自發輻射壽命期間(約ps到ns時間尺度)發射出一個光子,即不可能在某一時刻同時發射兩個及以上數量的光子,即單光子源。通俗地講就是光子是一個接著一個發射,它們每次發射時間間隔和自發輻射壽命有關。單光子源是光學量子信息技術的核心資源。

2019年08月,中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉與陸朝陽、霍永恆等人領銜,和多位國內及德國、丹麥學者合作,在國際上首次提出一種新型理論方案,在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實現了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源,為光學量子計算機超越經典計算機奠定了重要的科學基礎。

光學量子信息技術所需要的完美單光子源,要同時滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率這4個幾乎相互矛盾的嚴苛條件。從2000年以來,美國加州大學等相繼在單光子源研究方向取得進展,但其品質還不能滿足實用化需要。

2013年以來,我國潘建偉、陸朝陽等人在國際上首創了量子點脈衝共振激發技術,開始引領高性能單光子源的發展。但要實現完美的單光子源,還有兩個重大技術難題需要逾越:一是量子點會隨機發射兩種偏振的光子,二是共振激發需要消除背景雷射。

精密測量技術是一門集光學、電子、傳感器、圖像、製造及計算機技術為一體的綜合性交叉學科,涉及廣泛的學科領域,它的發展需要眾多相關學科的支持。在現代工業製造技術和科學研究中,測量儀器具有精密化、集成化、智能化的發展趨勢。三坐標測量機是適應上述發展趨勢的典型代表,它幾乎可以對生產中的所有三維複雜零件尺寸、形狀和相互位置進行高準確度測量。發展高速坐標測量機是現代工業生產的要求。

而熟知測量技術方面的基本知識,則是掌握測量技能,獨立完成對機械產品幾何參數測量的基礎。測量基準是復現和保存計量單位並具有規定計量單位特性的計量器具。在幾何量計量領域內,測量基準可分為長度基準和角度基準兩類。

散粒噪聲通信設備中的有源器件(如電真空管)中,由於電子發射不均勻性所引起的噪聲。又稱散彈噪聲。散粒噪聲是由形成電流的載流子的分散性造成的,在大多數半導體器件中,它是主要的噪聲來源。在低頻和中頻下,散粒噪聲與頻率無關(白噪聲),高頻時,散粒噪聲譜變得與頻率有關。在量子光學中,散粒噪聲來源於光量子的漲落,也就是電磁場能量的量子化。散粒噪聲是量子噪聲中主要的部分。

散粒噪聲不僅能夠在少量光子的場合使用光電倍增管測量,也能夠在強光場合使用光電二極體並以高時間解析度的示波器測量。由於光電流和光強(光量子數)成正比,電磁場能量的漲落經常能夠包含在對電流的測量中。為了減少通信中散粒噪聲的影響,一般是在接收機的前置級採用低噪聲器件,或者是將前置放大器放置在絕對溫度很低的容器中工作。這一措施,在接收很微弱信號的衛星通信中經常採用。

激發光的波長與螢光的波長相同,這種原子螢光叫共振螢光。由於相應於原子的激發態和基態之間的共振躍遷的概率一般比其他躍遷的概率大得多,所以共振躍遷產生的譜線是對分析最有用的螢光譜線。鋅、鎳和鉛原子分別吸收和發射213.86nm、232.00nm和283.31nm共振線就是共振螢光的典型例子。

原子螢光的一種類型,此外還有非共振螢光和敏化螢光(增感螢光)。自由原子吸收激發光源的特徵波長輻射,成為激發態原子,並立即發射出相同波長的輻射,回到原來的能級,所發輻射為共振螢光。係指激發線與螢光線光譜波長相等。對於多數元素來說其共振螢光線是相應於原子激發態和基態間的共振躍遷。但對銦、鎵、鉛、錫等元素,其共振螢光線則是從亞穩能級上產生。這些元素的原子經熱激發後處在較低的亞穩態,通過吸收激發光源發射的特定的非共振線後,被進一步激發,然後再發射出相同波長的共振螢光線,這一過程稱為熱助共振熒。

多光子糾纏就是通過幹涉度量的方法實現多光子的量子糾纏。通過幹涉形成雙光子糾纏的方法:一個紫外光脈衝照射一種叫做BBO的晶體,可以有一定概率產生一對光子(記作o光子和e光子)。兩個光子通過在偏振分束器(PBS)上的一次幹涉,就可以形成一個糾纏態|HH>+|VV>(即當o光子是H偏振時,e光子一定也是H偏振,反之當o光子是V偏振時,e光子一定也是V偏振)。

新聞來源:中國科學技術大學

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