量子通信夠安全嗎?光子對50萬億分之一秒內形成!

2020-12-05 博科園

在未來，量子物理將成為信息技術安全的保障。為了達到這一目的，光的單個粒子被用於數據的安全傳輸。來自馬普固態研究所物理學家的發現可能會起到關鍵作用。研究人員偶然發現了一種光源，它能從電子的能量中產生光子對。其中一種光粒子有可能作為脆弱量子信息的載體，另一種則作為信使，提前通知它的孿生兄弟。與量子通信不同，廚師可以查看他需要的所有配料是否都在櫥櫃裡，畢竟，麵粉在你看一眼的時候不會變質。

一位物理學家試圖測試傳輸量子信息的程序是否按計劃工作，這是一個非常棘手的問題。量子物體在被觀察，即被測量時，會改變它們的狀態。在量子通信中，這使得控制光子傳輸的信息變得困難。但這是非常重要的一點。每一次與環境的接觸都會破壞光子所傳輸的量子信息，而且，單光粒子的來源往往只產生非常不規則的單個光子。你如何保證光子在沒有測量的情況下就在路上呢？光子對是解，一個光子可以作為它孿生兄弟的信使。

光子對的意外來源

馬克斯普朗克固體研究所的科學家們現在發現了這種光子對一個意想不到的來源：掃描隧道顯微鏡。研究人員通常使用這種顯微鏡來研究導電或半導體材料的表面。顯微鏡是基於量子隧穿效應。這描述了電子如何有一定的概率通過一個勢壘，而根據經典物理學，這個勢壘通常是不能通過的。在掃描隧穿顯微鏡中，對金屬針尖施加電壓，使電子在很短的距離內隧穿到樣品上。如果一個電子在這個隧穿過程中失去能量，就會產生光。正是這種光，物理學家們研究了好幾年，現在帶來了一個令人驚訝的發現：

圖示受控量子信號：當電子(淺藍色)從掃描隧道顯微鏡的尖端隧穿到樣品時，光子對(黃色和紅色)的產生頻率比之前假設的要高。這在量子通信中開闢了一種可能性，即在一個光子傳輸信息的同時，驗證另一個光子的傳輸。圖片：Klaus Kuhnke/MPI für Festkrperforschung在隧穿過程中，除了單個的光粒子，光子對也形成了，其速度是理論預測的1萬倍。科學家克里斯多福·利昂解釋說：根據理論，光子對形成的概率非常低，永遠不會看到它，但我們的實驗表明，光子對的產生速度要快得多，這對我們來說是一個巨大的驚喜！物理學家使用兩個探測器測量光子對，使他們能夠測量到達光子之間的時間間隔。首席科學家克勞斯·庫恩克(Klaus Kuhnke)解釋說：當光子對在隧穿結中形成時，不到50萬億分之一秒，目前，還不能確定光子是同時產生的，還是連續快速產生的，因為探測器的解析度還不夠高。

隧道結的應用

這一發現為隧道結在光子學和量子通信領域開闢了新的應用前景，科學家們已經知道產生光子對的過程，但大多數過程都使用強雷射。此外，所需的設備非常小，並且該過程在原子尺度上進行。這意味著新的光源也可以用於未來幾代計算機晶片，用光學元件取代電子元件。使用光子的一個優點是，它們保證了快速和無損的數據傳輸。究人員進行的實驗中光子對速度非常快，但是實驗所需的超高真空和極低溫度仍然是一個實際的挑戰。

科學家下一步是找出測量一個光子是否會直接影響另一個光子的狀態。如果是這樣，光粒子就會糾纏。這種糾纏粒子在量子密碼學中至關重要。這些結果也提出了光子對如何形成的基本問題。到目前為止，這一過程幾乎一直被理論背景所忽視。光子對產生的事實表明，一個複雜的過程肯定正在發生。這一過程令人興奮，因為它為光的產生開闢了一個新視角！

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會參考期刊《Science Advances》DOI: 10.1126/sciadv.aav4986博科園｜科學、科技、科研、科普

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