新技術實現逐個產生相同光子

2020-10-25 衛報

光子是光的基本粒子，它是量子信息的最佳載體。此為光子示意圖。

下一代駕馭量子物理技術的設備，將能提供比現代網際網路更安全、更快、更高性能的信息分享體驗。光子是目前科學家所知的量子信息的最佳載體，能夠完成長距離傳輸而不會損失記憶或相干性。

所以目前大部分設計都使用單個光子加密信息，通過這些光子在量子網絡間、或在量子晶片之間傳遞信息。

然而，目前用於生成單個光子的工具還無法提供量子信息技術所需的準確性和穩定性。近期一份發表在《科學進展》（Science Advances）期刊上的研究稱，發明了一種可以按照需要，逐個產生完全一樣的光子的技術。

這項研究的負責人美國能源部伯克利國家實驗室（LBNL）的韋伯-巴喬尼（Alex Weber-Bargioni）說：「這種技術以電子觸發、在精確位置發射單個光子，是實現可整合量子技術發展道路上邁出的一大步。」

現在，多數安全信息傳輸系統都使用光源逐一產生單個光子。每個光子都有特定的波長和朝向，都不一樣。這種新式的光子發射器使用電子產生光子，每個完全一樣，而且也可以實現和光源光子發射器一樣的控制力和精準度。

研究稱，這個技術的難點不在如何產生單個光子，而是怎樣按照需要產生一個個完全相同的光子。

現有的光子發射器通常使用半導體納米粒子材料，它們由光刻技術製造，自然帶有變化性，不可能在原子層面達到完全相同的效果，因此生成的光子各不相同。

這個研究組採用了一種不一樣的辦法：在一層石墨烯上覆蓋一層很薄的半導體材料薄膜，並向薄膜加入規律性分布的雜質。通過大量實驗，確定一個最佳的位置，在這個位置控制雜質打破分布的規律性，形成一個缺陷點。之後，就在這個缺陷位置施加電壓，激發釋放一個光子。研究人員發現，只要簡單地通過對電壓的控制，就實現了對光子能量的控制。

這項實驗使用掃描隧道顯微鏡鍍金的針尖，準確定位薄膜上雜質分布的缺陷點。在針尖和材料之間施壓電壓，針尖將一個電子注入缺陷處，當電子從探針尖端隧穿時，其可控的部分能量將轉化為單個光子。最後，針尖還起到天線的作用，引導發射的光子進入一個光學探測器，記錄這個光子的波長和位置。

通過記錄從多個缺陷點位置不同的薄膜所發出的光子的情況，研究人員能夠確定注入電子、缺陷點位置原子結構和所發出的光子三者之間的關係分布圖。

研究人員從繪製的高精度分布圖上，能夠把發射光子的位置精確到小於1埃米（0.1納米）的程度，大約相當於一個原子的直徑。研究者稱，如此精確的光子發射圖，對了解電子激發光子的機制很重要。

研究者表示，二維材料是下一代光子發射器的重要平臺。薄膜靈活度高，與其它結構容易整合，為實現可控光子發射技術提供了一套系統的解決方案。

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