美國愛荷華大學(xué)物理與天文學(xué)系研究團(tuán)隊(duì)近日提出一套全新的理論方案，有望從源頭上“凈化”量子光源輸出的光子流，為更高效、更安全的光子量子計(jì)算和量子通信鋪平道路。

在現(xiàn)有光子量子技術(shù)中，單光子源是量子線路的核心，但要獲得穩(wěn)定、純凈的單光子流一直面臨兩大技術(shù)瓶頸。 第一是激光散射：實(shí)驗(yàn)中通常用激光照射原子以激發(fā)其發(fā)射光子，但同時(shí)會(huì)引入額外的散射光子，相當(dāng)于光學(xué)線路中的“雜散電流”，降低系統(tǒng)效率。 第二個(gè)問題則來自原子本身的偶發(fā)多光子發(fā)射事件，當(dāng)原子一次性釋放出多個(gè)光子時(shí)，原本應(yīng)當(dāng)整齊“單列通過”的光子流被打亂，削弱了光量子線路的精確性和可控性。

該研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：當(dāng)原子偶爾發(fā)出多光子時(shí)，這些多光子在光譜顏色分布以及波形上，與激發(fā)它們的激光本身高度相似。 正是這種相似性，使研究人員意識(shí)到可以主動(dòng)利用激光散射這一原本被視為“噪聲”的成分，通過精細(xì)調(diào)控，讓激光散射光與多光子發(fā)射在空間與相位上發(fā)生干涉，從而相互抵消不需要的多余光子。 研究團(tuán)隊(duì)給出的理論模型表明，在合適的條件下，這種“噪聲助攻”可以顯著壓制多光子成分，保留下更為純凈的單光子輸出。

在光子量子計(jì)算中，信息由光子這樣的量子比特來承載，相比傳統(tǒng)電子比特，光子在速度、傳輸損耗以及抗干擾方面具有優(yōu)勢(shì)，因此被多家初創(chuàng)企業(yè)視為未來量子計(jì)算與量子通信的重要技術(shù)路線之一。 單光子源的可控性和純度直接關(guān)系到系統(tǒng)的擴(kuò)展能力和安全性：有序的單光子流不僅便于大規(guī)模線路集成，還能降低信息在傳輸過程中被竊聽或篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

論文通訊作者、愛荷華大學(xué)物理與天文學(xué)系助理教授拉維泰杰·烏普（Ravitej Uppu）指出，通過控制激光照射原子的入射角度、光束形狀等參數(shù)，可以在理論上實(shí)現(xiàn)對(duì)多余光子的精確抵消，使剩余光子流“非常純凈”。 研究從理論上同時(shí)攻克了激光散射和多光子發(fā)射這兩大障礙，被視為加速光子量子線路、推動(dòng)新一代量子計(jì)算機(jī)和安全通信網(wǎng)絡(luò)的重要一步。 下一階段，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證這一理論，為未來的光子量子器件提供可行的工程實(shí)現(xiàn)路徑。

據(jù)介紹，該研究題為《噪聲輔助的單光子源凈化》，發(fā)表在期刊 Optica Quantum 上，并得到美國國防部研究與工程副部長(zhǎng)辦公室以及愛荷華大學(xué)科研副校長(zhǎng)辦公室種子基金項(xiàng)目的資助。 研究人員表示，如果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證順利，這一思路有望被應(yīng)用于多種光子量子平臺(tái)之中，為構(gòu)建高保真度的量子網(wǎng)絡(luò)提供新的技術(shù)工具。

編譯自/ScitechDaily