为量子计算生成高质量的单光子

麻省理工学院的研究人员设计了一种在室温下产生更多单光子来携带量子信息的方法。他们说，这种设计有望开发实用的量子计算机。量子发射器产生可以一次检测一个的光子。消费者量子计算机和设备可能潜在地利用那些光子的某些属性作为量子位(“量子位”)来执行计算。当经典计算机以0或1的比特处理和存储信息时，量子比特可以同时为0和1。这意味着量子计算机可以解决古典计算机难以解决的问题。

然而，一个关键的挑战是产生具有相同量子特性的单光子 - 被称为“无法区分”的光子。为了改善不可分辨性，发射器将光线通过光学腔体漏斗，光学腔体在光学腔体中来回反弹，这一过程有助于将它们的特性与腔体相匹配。通常，较长的光子留在腔中，它们匹配得越多。

但也有一个权衡。在大空腔中，量子发射器自发地产生光子，导致仅有一小部分光子停留在空腔中，使得该过程效率低下。较小的空腔提取较高百分比的光子，但光子质量较低，或“可区分”。

在今天发表在“物理评论快报”上的一篇论文中，研究人员将一个腔分成两个腔，每个腔都有一个指定的任务。较小的空腔处理光子的有效提取，而附着的大空腔存储它们稍长一些，以增强不可区分性。

与单腔相比，研究人员的耦合腔产生的光子具有约95%的不可区分性，而不可分辨率为80%，效率提高约三倍。

“总之，两个比一个更好，”第一作者Hyeongrak“Chuck”Choi说，他是麻省理工学院电子研究实验室(RLE)的研究生。“我们发现，在这种结构中，我们可以分离两个腔体的作用：第一个腔体仅侧重于收集光子以获得高效率，而第二个腔体侧重于单个通道中的不可区分性。一个腔体可以发挥两种作用”达到两个指标，但两个腔同时实现。“

加入崔的论文是：Dirk Englund，电气工程和计算机科学副教授，RLE研究员，量子光子实验室负责人;R Zhu的研究生Di Zhu;和Yoseob Yoon，化学系的研究生。

相对较新的量子发射器，称为“单光子发射器”，是由其他纯材料中的缺陷产生的，例如钻石，掺杂的碳纳米管或量子点。由这些“人造原子”产生的光被光子晶体中的微小光学腔捕获 - 一个纳米结构充当镜子。一些光子逃逸，但是其他光子在腔体周围反弹，这迫使光子具有相同的量子特性 - 主要是各种频率特性。当它们被测量到匹配时，它们通过波导离开腔。

但是单光子发射器也经历大量的环境噪声，例如晶格振动或电荷波动，产生不同的波长或相位。具有不同特性的光子不能“受到干扰”，使得它们的波重叠，从而产生干涉图案。这种干涉模式基本上是量子计算机观察和测量的计算任务。

光子不可分辨性是光子干扰潜力的量度。通过这种方式，模拟实际量子计算的使用是一个很有价值的指标。“即使在光子干涉之前，我们也可以通过不可区分来指定光子干涉的能力，”Choi说。“如果我们知道这种能力，我们可以计算出如果将它用于量子技术，例如量子计算机，通信或中继器，将会发生什么。”

在研究人员的系统中，一个小空腔与发射器相连，在他们的研究中，这是一个钻石中的光学缺陷，称为“硅空位中心” - 硅原子取代了金刚石晶格中的两个碳原子。由缺陷产生的光被收集到第一腔中。由于其聚焦结构，光子以非常高的速率被提取。然后，纳米腔将光子引导到第二个更大的腔中。在那里，光子来回反弹一段时间。当它们达到高的不可区分性时，光子通过由将空腔连接到波导的孔形成的部分镜子射出。

Choi说，重要的是，腔体都不能像传统腔体那样满足严格的设计要求，即效率或不可分辨性，称为“质量因子(Q因子)”。Q因子越高，光学腔中的能量损失越低。但是具有高Q因子的空腔在技术上具有挑战性。

在这项研究中，研究人员的耦合腔产生的光子质量高于任何可能的单腔系统。即使其Q因子大约是单腔系统质量的百分之一，它们也可以实现相同的不可分辨性，效率提高三倍。

可以调整腔体以优化效率与不可区分性 - 并考虑Q因子的任何约束 - 取决于应用。Choi补充道，这一点非常重要，因为今天在室温下工作的发射器在质量和性能方面差别很大。

接下来，研究人员正在测试多个腔体的最终理论极限。还有一个腔体仍能有效地处理初始提取，但随后将与多个腔体相关联，这些腔体具有各种尺寸的光子以实现一些最佳的不可区分性。但是很可能会有一个极限，Choi说：“有两个腔，只有一个连接，所以它可以是有效的。但如果有多个腔，多个连接可能会使它效率低下。我们现在正在研究用于量子计算的空腔的基本限制。“