在過去的二十年中，量子信息科學領域已經取得了巨大進展。科學家們希望藉助量子力學的奇異性質解決計算、通信、傳感以及精密測量系統中的難題。光學量子信息處理就是這一領域的重要研究方向，而建造能夠可靠製造單光子的單光子源，是促進量子信息科學研究的關鍵之一。不過由於量子過程本質上有隨機性，搭建這種光子源的每一個步驟都充滿了挑戰性。
據每日科學網站近日報導，《科學進展》雜誌發文稱，美國伊利諾伊大學物理學教授Paul Kwiat和前博士後研究員Fumihiro Kaneda已建造了一種新的單光子源。雖仍在繼續改進中，但通過升級，此設備能高效產生近30個光子。這種級別的光子源正是光量子信息應用所需要的「利器」。 迄今為止，可用單光子的最大發電效率一直很低。這是為什麼呢？量子光學研究人員經常使用自發參量下轉換（SPDC）的非線性光學效應來製造光子對。在設計好的晶體中，一個高能光子可以分裂成一對低能光子。產生光子對非常重要：研究人員探測到其中一個光子，導致其被破壞，可以「預示」另一個光子的存在，即光子源的單光子輸出。但是，要實現一個光子到光子對的量子轉換是非常困難的。Kwiat指出：「SPDC是一種量子過程，它具有不確定性。恰好產生一對光子的概率最多只有25%。」
Kwiat和Kaneda使用「多路復用」技術解決了SPDC的低效問題。Kwiat說：「把一堆不同的可能性映射到一個可能性上面，這可以顯著提高成功的機率。」將光源脈衝40次，基本上可以保證每次運行至少能產生一個光子對。更重要的是，光子存儲每個周期內的延遲線損耗率只有1.2%。由於光源會被脈衝多次，低損耗率是非常重要的。否則，最初幾次脈衝中產生的光子很容易丟失。
當光子最終被釋放時，它們被高效率地耦合到了單模光纖中。這正是光子在量子信息應用中需要達到的狀態。Kwiat認為，以這種方式製造光子，效率的提升是顯著的。例如，如果一種應用需要一個12光子的光子源，那麼研究人員只需將6個獨立的SPDC源排成一行，等待它們出現同時製造光子對的事件就行了。他說：「雖然很多研究人員已經使用了多個光子態，但他們需要等上大約兩分鐘。我們能夠根據製造速度計算可能性。雖然我們的嘗試頻率很低，大概每兩微秒一次，但由於我們使用了多路復用技術，效率反而高得多——我們每秒可以產生近4000個12光子事件。換句話講，我們的速度加快了接近50萬倍。」然而，Kwiat等認為，新技術還存在一些問題。例如，下轉換過程的隨機性可能會產生多個光子對，而非單個光子對。
接下來，Kwiat團隊將如何處理這些罕見的非需多光子事件呢？Colin Lualdi是Kwiat團隊的研究生，他正在利用光子數字解析探測器升級光源。這種改進將有助於完全消除多光子事件的問題。此外，Kwiat團隊還在致力於提高單光子源設備各個組件的效率。Lualdi堅信，升級版單光子源設備的單光子生產速度將遠超現有水平。
科界原創
編譯：雷鑫宇
責編：張夢
期刊來源：《科學進展》
期刊編號：2375-2548
原文連結：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191005134020.htm
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