6月13日，瑞士巴塞爾大學(xué)宣布，該校Richard Warburton領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與波鴻魯爾大學(xué)的同事合作，成功創(chuàng)造了來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同且相距較遠(yuǎn)的源的全同光子。

 

半導(dǎo)體量子點(diǎn)是明亮且快速的相干單光子源。但在應(yīng)用方面存在障礙：獨(dú)立量子點(diǎn)產(chǎn)生的干涉單光子的量子相干性差?，F(xiàn)在，研究人員使用來(lái)自?xún)蓚€(gè)完全獨(dú)立的砷化鎵(GaAs)量子點(diǎn)的光子，演示了可見(jiàn)度接近1((93.0±0.8)%)的雙光子干涉。

 

通過(guò)利用量子干涉，他們展示了光子受控非電路和不同源的光子之間保真度為(85.0±1.0)%的糾纏。雙光子干涉可見(jiàn)度足夠高，以至于糾纏保真度遠(yuǎn)高于經(jīng)典閾值。

 

研究成果以《來(lái)自遠(yuǎn)程GaAs量子點(diǎn)的全同光子的量子干涉》為題發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上[1]。
 

盡管巴塞爾研究人員的量子點(diǎn)不同，但他們發(fā)射的光子完全相同。

 

實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家使用了量子點(diǎn)——半導(dǎo)體中只有幾納米大小的結(jié)構(gòu)。電子在量子點(diǎn)中被捕獲，因此它們只能具有非常特定的能級(jí)。從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)發(fā)出光，在觸發(fā)這種躍遷的激光脈沖的幫助下，只需按一下按鈕即可產(chǎn)生單個(gè)光子。

 

巴塞爾大學(xué)博士后研究員、論文第一作者Lian Zhai解釋說(shuō)：“近年來(lái)，其他研究人員已經(jīng)用不同的量子點(diǎn)創(chuàng)造了全同光子，然而，要做到這一點(diǎn)，他們必須使用光學(xué)過(guò)濾器從大量光子中挑選出最相似的光子。”這樣，只剩下很少的可用光子。

 

Warburton團(tuán)隊(duì)則選擇了一種不同的、更具前途的方法。

 

首先，波鴻魯爾大學(xué)的專(zhuān)家生產(chǎn)出極其純凈的砷化鎵（GaAs），并由此制成量子點(diǎn)。因此，不同量子點(diǎn)之間的自然變化可以保持在最低限度。然后，巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用電極將兩個(gè)量子點(diǎn)暴露在精確調(diào)諧的電場(chǎng)中：這些場(chǎng)修改了量子點(diǎn)的能級(jí)，并且它們以這樣的方式進(jìn)行調(diào)整，即量子點(diǎn)發(fā)射的光子具有完全相同的波長(zhǎng)。

 

為了證明這些光子實(shí)際上是無(wú)法區(qū)分的，研究人員將它們發(fā)送到一面半鍍銀的鏡子上。他們觀察到，幾乎每次，光子要么成對(duì)穿過(guò)鏡子，要么成對(duì)反射。最終他們實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)度(93.0±0.8)%的雙光子干涉，即光子有93%是相同的。

 

此外，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要組成部分——受控非門(mén)（或CNOT門(mén)）。這樣的門(mén)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子算法，并比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快地解決某些問(wèn)題。
 

連接遠(yuǎn)程量子點(diǎn)的光量子邏輯操作。(a)基于遠(yuǎn)程量子點(diǎn)(QD)之間雙光子干擾的CNOT門(mén)的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。來(lái)自QD2的光子用于控制量子比特，而來(lái)自QD1的光子用于目標(biāo)量子比特。在門(mén)操作之后（用黃色突出顯示），量子態(tài)通過(guò)重合測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)。(b、c)|H /|V 和|+ /|- 基的真值表。巧合事件通過(guò)對(duì)各自的輸入態(tài)進(jìn)行歸一化來(lái)轉(zhuǎn)換為概率。對(duì)于每個(gè)輸入態(tài)，研究人員累積了500個(gè)巧合事件的總計(jì)數(shù)?？盏奶摼€(xiàn)代表理想的CNOT操作。(d、e)由CNOT門(mén)產(chǎn)生的狀態(tài)|Ψ- 的密度算子的實(shí)部和虛部。測(cè)量的密度矩陣的實(shí)部接近理想狀態(tài)(用空條表示)。在虛數(shù)部分，所有條形的強(qiáng)度都低于0.03。

 

從兩個(gè)不同的量子點(diǎn)中生成全同光子只是他們工作的第一步，未來(lái)將進(jìn)一步提高性能。“現(xiàn)在我們?nèi)庾拥漠a(chǎn)量只有1%左右，”巴塞爾大學(xué)博士生Gian Nguyen表示，“然而，我們已經(jīng)有了一個(gè)相當(dāng)好的想法，即未來(lái)如何提高產(chǎn)量。這將使雙光子方法為不同量子技術(shù)的潛在應(yīng)用做好準(zhǔn)備。[2]”