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中国团队实现单光子源“三项全能”

2016年02月29日 17:28 来源于 财新网
在长达15年的国际竞赛中,中国学者率先实现了同时兼备“三项全能”最优指标的单光子源,为实现大规模的光子纠缠和可实用量子信息技术开辟了一条新路

  文| 林梅

  对单光子的制备、操纵和测量是量子信息技术(如量子网络、量子计算)最基础的部分。如果把大规模可实用化的光学量子信息处理器看成一幢大房子,那么单光子就是一步一步垒成这个房子的砖头。房子要造得高,砖头的质量很关键。

  优良、纯净、实用的单光子源是可扩展量子信息和量子计算绕不开的一个关卡。如今,它从理想变为现实,就像早些时候潘建伟、陆朝阳团队“多自由度量子体系的隐形传态”的实现一样,不仅突破了以往技术的局限,也让人们看到了量子信息技术大规模实用化的曙光。

  对于未来可以真正用于可扩展、实用化的量子信息技术来说,所需的单光子发射器的优劣主要包括三个核心性能指标的考量:单光子性(Single-photon Purity)、全同性(Photon Indistinguishability)和提取效率(Extraction Efficiency)。光量子信息主要是利用量子干涉效应和量子纠缠等为基础进行信息编码、传输和处理的技术。而以上三项指标,与此息息相关。

  什么是“单光子性”呢?大家记不记得上小学的时候,下课铃声一响,咱们都找三两个小伙伴一起出去玩儿。通常,自然界产生的光子也喜欢这样“抱团儿”。可是一抱团儿科学家操纵起来就很难了。他们希望得到的光子像通过旋转式栅门一样,一个一个独自走出来,便于进行操作。

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  上、中、下三束光子,区别在于,越往下,光子越喜欢“抱团儿”。量子信息需要的正是最上面的那种。

  此外,光量子计算不可避免地需要控制逻辑门操作,光子与光子之间必须进行某种“对话”。可是静质量为零、以光速飞行、神龙见首不见尾的单光子都气质高冷,绝大多数情况下都独来独往,不和其他光子来往。但是,在真正觅得知音的特殊情况下,光子还是能够和聊得来的同伴进行“对话”。对光子来说,“聊得来”是什么意思呢?

  1987年,美国罗切斯特大学的三位研究人员Chung-Ki Hong、Z.Y. Ou(区泽宇)和Leonard Mandel发现了一种双光子量子干涉效应,实现了两个单光子的“对话”【1】。这个过程的发生有一个至关重要的条件,就是两个光子一定要“全同”;也就是说,从量子力学原理上,两个光子一模一样,根本不可能分得清谁是谁。

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  Hong-Ou-Mandel干涉效应原理图。当两个一模一样的光子分别从上、下方向射向一个半透半反的分束器,结果存在1、2、3、4四种可能。其中,2、3这两种情况在原理上都无法区别,而且相位相消,因而剩下1、4两种可能:要么都从上方走,要么都从下方走。其实,Hong-Ou-Mandel干涉效应也进一步说明了光子不抱团儿的重要性——只有两个单光子输入分束器,该效应才存在。

  至于提取效率呢?提取效率衡量的是从谐振腔跑出来到达第一级透镜的光子数占产生光子数的比例。可想而知,当然是越大越好,因为对于N个光子的体系来说,总的效率是单个量子点提取效率的N次方,如果提取效率不够大,总效率会非常小,大规模的应用也只能是空中楼阁啦。

  三个指标同时达到优良,实现起来到底有多难呢?

  在过去的将近二十年里,优良的单光子源是国际上许多小组努力的目标。2000-2001年,加州大学、剑桥大学和斯坦福大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源【2-4】。量子点(Quantum Dot)是由分子束外延方法人工生长的纳米尺寸原子团簇。由于材料性质,电子在各方向上的运动都受到囚禁,所以量子限域效应显著,形成分立的能级。电子受到激发,在分立能级之间跃迁,就能发射我们需要的单光子。

  之前非共振激发有着致命的缺陷。首先,它使得产生的光子频谱加宽;其次,产生光的波长之所以会偏离激发光的波长,是因为激发到高能级的电子会先跃迁至附近的某个能级(即弛豫过程),再跃迁至低能级发射光子,而弛豫过程的时间人们无法控制,所以发射时间会有“抖动”,以至于到两个原本需要“对话”的光子可能无法同时达到,压根儿打不着照面儿。

  采取共振激发方法(量子点产生的光子波长等于激发光波长)能克服这两个问题。但是,其技术代价是,如何滤除比单光子信号强一百万倍以上的激光背景。2009年,赵勇、陆朝阳等所在的英国剑桥大学卡文迪许实验室Atatüre小组利用激发光和产生光的偏振性质不同来消除激光背景,观测到了量子点荧光【5】。

  但是,Atatüre团队实现的单光子源采取的是连续激发,产生的光子效率低而且时间是随机的,这无法在量子信息方面得到应用。因为若要光子发射器为我所用,人们需要一个控制光子的“开关”——我这厢一按“激发”,那厢光子就往外跑;我一按“停止”,发射器就不再发射光子。

  这样的“开关”在2013年由潘建伟、陆朝阳小组实现,他们首创量子点脉冲共振激发方法,实现了当时国际上品质最好的量子点单光子源,单光子性和全同性分别达到99.7%和97%【6】。但美中不足的是,提取效率只有6%,主要就是由于量子点材料折射率、平面腔结构设计等各方面技术限制。也就是说,前面提到的三个指标还是无法同时达到优良。

  进一步的发展需要更好的半导体工艺。在该团队最新的工作中,通过高精度分子束外延生长与纳米刻蚀工艺结合,获得了低温下与量子点单光子频率共振的高品质因子光学谐振腔。

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  一根根“柱子”就是光学谐振微腔,由一层层的“镜面”构成。腔中的红点就是量子点,量子点受激产生光子。完美的谐振腔设计保证光子达到我们需要的指标。

  如果我们把腔中的红点放大了看,就能看到量子点的真容,像下图这样。

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  紫红色的部分就是利用高精度分子束外延生长技术制备的量子点。科研人员在纳米尺度上控制砷化镓和砷化铟,让它们长成图中的样子,就是为了巧妙设计量子点的尺度和形状,形成势能壁垒,将电子和空穴束缚其中,砷化镓和砷化铟原本都有各自的能带结构,在这样的势肼中,连续的能带变成了分立的能级,这就是受激辐射产生光子所需的二能级结构——电子吸收能量从基态跃迁至激发态,再通过受激辐射回到激发态,同时放出一个特定状态的光子。

  经过精心设计和多次尝试,最终的综合指标令人满意,单光子性、全同性和提取效率分别达到了99.1%、98.5%和66%【7】。这是国际上首次能够把这三项指标在同一个量子点上结合在一起,达到“三项全能”。

  这项工作距离大规模光子纠缠还有多远?这是很多人关心的问题。

  虽然提取效率达到了66%(理想的水平实际应该可以达到85-99%),但最终被探测器探测到的光子只有20~30%,也就是说,探测效率还需要进一步提高。实现更高的提取和探测效率,将是量子信息技术下一阶段中进行协同创新、系统集成要抢占的高地,也是将量子技术推向实用化的必经之路。

  潘建伟团队估计,能操纵20-30个光子,量子模拟机就可以在波色取样问题上实现与现有最好的商用经典计算机一样的处理能力;由于并行处理能力,若能控制50个左右的光子,就可以在特定问题上跟目前最好的超级计算机——天河二号一较高下。那也许就是量子计算和经典计算“华山论剑”的激动时刻了。

  (特别致谢:中科大上海研究院张文卓副研究员对本文亦有贡献。)

  参考文献:

  【1】C. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel,Measurement of Subpicosecond Time Intervals Between Two Photons by Interference,Phys. Rev. Lett. 59, 2044(1987)

  【2】P. Michler, A. Kiraz, C. Becher, W. V. Schoenfeld, P. M. Petroff, Lidong Zhang, E. Hu, A. Imamoglu, A Quantum Dot Single-Photon Turnstile Device, Science 290, 2282 (2000)

  【3】C. Santori, M. Pelton, G. Solomon, Y. Dale, Y. Yamamoto, Triggered Single Photons from a Quantum Dot, Phys. Rev. Lett. 86, 1502 (2001)

  【4】Z. Yuan, B.E. Kardynal, R.M. Stevenson, A.J. Shields, C.J. Lobo, K. Cooper, N.S. Beattie, D.A. Ritchie, M. Pepper Electrically Driven Single-Photon Source, Science 295, 102 (2002)

  【5】A. N. Vamivakas, Y. Zhao, C.-Y. Lu, M. Atatüre, Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence, Nature Physics 5, 198-202 (2009)

  【6】Y.-M. He, Y. He, Y.-J. Wei, D. Wu, M. Atature, C. Schneider, S. Hofling, M. Kamp, C.-Y. Lu, J.-W. Pan, On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability, Nature Nanotechnology 8, 213-217 (2013).

  【7】X. Ding, Y. He, Z.-C. Duan, N. Gregersen, M.-C. Chen, S. Unsleber, S. Maier, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, C.-Y. Lu, J.-W. Pan,On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar, Phys. Rev. Lett. 116, 020401 (2016)

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责任编辑:崔筝 | 版面编辑:张柘
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