新型矽基量子光源：能穩定產生紅外單光子

2020-09-16 環球創新智慧

導讀

據德國亥姆霍茲德勒斯登羅森道夫研究中心官網近日報導，該校與德勒斯登工業大學的物理學家們設計出一款矽基光源來生成可在玻璃纖維中很好傳輸的單光子。

背景

量子技術大有可為：幾年之後，量子計算機有望徹底改變資料庫搜索、人工智慧系統、計算仿真。

（圖片來源：Tony Melov/UNSW）

如今，量子密碼學已經可以保證絕對安全的數據傳輸，雖然仍有一定的局限性。關鍵優勢在於，它最有可能兼容我們目前的矽基電子學。

在城市中實現的量子加密通信（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

創新

近日，德國亥姆霍茲德勒斯登羅森道夫研究中心（HZDR）和德勒斯登工業大學的物理學家們正是在這一點上取得了顯著的進展：團隊設計出一款矽基光源來生成可在玻璃纖維中很好傳輸的單光子。

下圖為通過嵌入碳原子實現的矽晶圓中單個缺陷的示意圖。它可以激發出適合光纖通信的處於電信O波段（波長範圍：1260納米到1360納米）的單光子。

（圖片來源：HZDR/Juniks）

技術

量子技術依賴於儘可能精準地控制量子粒子的行為，例如通過在磁阱中鎖定單個原子，或者通過玻璃纖維發送單獨的光粒子（稱為「光子」）。後者是量子密碼學的基礎，量子密碼學可以開闢一種防止竊聽的通信方法：任何一個數據竊賊想要攔截光子時都會不可避免地破壞它們的量子特性。消息的發送者和接收者會察覺到這一點，並及時阻止可能造成數據洩露的傳輸。

這就需要可以發出單光子的光源。這種系統已經存在，特別是基於鑽石的系統。

（圖片來源：Nathalie de Leon 實驗室）

但是，它們都有一個缺點。HZDR 物理學家格奧爾基·阿斯塔霍夫（Georgy Astakhov）博士解釋道：「這些鑽石光源只能生成頻率不適合光纖通信的光子。這對實際應用造成了很大的限制。」所以，阿斯塔霍夫及其團隊決定使用一種不同的材料，即久經考驗的電子基礎材料「矽」。

為了使材料生成光纖通信所需的紅外光子，專家們對它們進行了特殊處理，用 HZDR 離子束中心的加速器選擇性地將碳原子射入矽中。這樣就在材料中創造出了所謂的「G中心」，兩個鄰近的碳原子與一個矽原子耦合到一起，形成一種人造的原子。

受到紅色雷射照射時，這種人造原子發出我們所希望的波長為1.3微米的紅外光子，這個頻率非常適合光纖通信。阿斯塔霍夫報告道：「我們的原型每秒可以產生十萬個單光子。而且這是穩定的。甚至在連續運行幾天之後，我們都沒有觀察到任何退化。」然而，該系統僅能在極低的溫度下工作，物理學家們使用液氦將它冷卻至零下268攝氏度。

阿斯塔霍夫的同事 Yonder Berencén 表示：「我們首次展示了矽基單光子光源的可能性。這樣就基本上有可能使這些光源與其他光學元件集成到一顆晶片上。」此外，有意思的是，將這種光源與諧振器結合一起，可以用於解決光源大多數都是隨機產生紅外光子的問題。然而，量子通信的應用需要隨時產生光子。

這種諧振器可以調整到正好匹配光源的波長，這樣就有可能增加生成光子的數量，使它們在任何給定時間都是可用的。Berencén 表示：「這樣的諧振器已經被證明可以在矽中構造。而缺少的是一個矽基單光子源。而這正是我們現在能夠創造出的。」

但是在他們考慮實際應用之前，HZDR 的研究人員還需要解決一些問題，例如更加系統地生產新的電信單光子源。格奧爾基·阿斯塔霍夫解釋道：「我們需要以更大的精度將碳原子植入到矽中。HZDR 的離子束中心為實現諸如此類的構思提供了一個理想的基礎設施。」

關鍵詞

量子、光子、晶片、矽

參考資料

【1】Michael Hollenbach, Yonder Berencén, Ulrich Kentsch, Manfred Helm, Georgy V. Astakhov. Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics. Optics Express, 2020; 28 (18): 26111 DOI: 10.1364/OE.397377

【2】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=61675

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