麻省理工实现为“量子计算”生成高质量单光子

日前，麻省理工学院的研究人员设计出一种方法，能在室温下产生更多携带量子信息的单光子，这种设计为实用量子计算机的发展带来了希望。量子发射器产生的光子可以一次检测一个，量子计算机能利用这些光子的某些特性作为量子比特(“量子位”)来执行计算。

       传统计算机处理和存储信息的比特是0或1，量子位元可以同时是0和1。这意味着量子计算机有可能解决经典计算机无法解决的问题。然而，关键的挑战是产生具有相同量子特性的单个光子——被称为“不可分辨”光子。为了改善这种难以分辨的特性，发射器将光通过一个光学腔汇聚起来，光子在这个光学腔中来回反射，这一过程有助于将光子的特性与腔匹配起来。
       一般来说，光子在腔内停留的时间越长，它们就越匹配。但也有一个权衡，在大的空腔中，量子发射器自发地产生光子，导致只有一小部分光子停留在空腔中，使得这个过程效率低下。较小空腔可提取更多光子，但光子的质量较差，或者“可分辨”。
       在2019年5月14日发表在《物理评论快报》上的一篇研究论文中，研究人员将一个洞分成两个，每个洞都有一个指定的任务。一个更小的腔处理光子的有效提取，而一个附着的大腔存储光子时间更长，以提高其不可分辨性。与单腔相比，研究人员耦合腔产生的光子具有95%左右的不可分辨性，相比之下，80%的不可分辨性，效率大约是单腔的三倍。
       麻省理工学院电子研究实验室(RLE)的研究生，第一作者Hyeongrak“Chuck”Choi说：简而言之，两个总比一个好。

麻省理工学院设计的种新单光子发射器，它可以在室温下产生更多高质量的光子，这些光子可以用于实际的量子计算机、量子通信和其他量子设备。

在这个结构中，可以把两个腔体的作用分开：第一个腔体只收集光子，而第二个腔体则专注于单一通道中的不可分辨性。一个腔同时扮演两个角色不能同时满足两个指标，但是两个腔同时满足这两个指标。论文作者Dirk Englund，电子工程和计算机科学副教授，RLE研究员，量子光子实验室的负责人;；大连理工大学研究生朱迪；还有化学系的研究生Yoseob Yoon。新的量子发射器被称为“单光子发射器”，是由纯材料(如钻石、掺杂碳纳米管或量子点)的缺陷造成。

由这些“人造原子”产生的光被光子晶体中一个微小光学腔捕获——这是一种充当镜子的纳米结构。一些光子逃逸，但另一些则在空腔周围反弹，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体。但单光子发射器也会经历大量的环境噪声，比如晶格振动或电荷波动，产生不同的波长或相位。不同性质的光子不能被“干涉”，这样它们的波就会重叠，产生干涉图样。这种干涉模式基本上是量子计算机用来观察和测量计算任务的。

光子不可分辨性是测量光子干涉能力的一种方法。因此，模拟它们在实际量子计算中的应用是一个有价值的度量标准。即使在光子干涉之前，由于无法分辨，也可以指定光子干涉的能力。如果我们知道这种能力，就能计算出如果他们把它用于量子技术，比如量子计算机、通信或中继器，会发生什么。在研究人员的系统中，一个小空腔附着在一个发射器上，这在研究中是钻石的一种光学缺陷，被称为“硅空位中心”：一个硅原子取代了钻石晶格中的两个碳原子。由缺陷产生的光被收集到第一个腔中，由于光聚焦结构，光子被提取的速率非常高。

然后纳米特性将光子导入第二个更大的腔。在那里，光子在一段时间内来回反弹。当它们达到高不可分辨性时，光子通过一个由连接腔和波导的孔洞形成部分反射镜排出。重要的是，这两种腔体都不需要像传统腔体那样满足严格的效率设计要求，也不需要像传统腔体那样难以区分。
       传统腔体被称为“质量因子(Q-factor)”。q因子越高，光腔内的能量损失越小。但是具有高q因子的腔体在技术上具有挑战性。在这项研究中，耦合腔产生的光子质量比单腔系统都要高。即使它的Q因子大约是单腔系统质量的百分之一，它们也可以达到同样的不可分辨性，效率是单腔系统的三倍。
       根据应用程序的不同，可以对空腔进行调优，以优化效率和不可辨别的特性，并考虑Q因子上的任何约束。这一点很重要，因为目前在室温下运行的排放物在质量和性能上可能存在很大差异。接下来，研究人员正在测试多腔的极限理论。再多一个腔仍然可以有效地处理初始提取，但随后将与多个腔相连接，使不同大小的光子达到某种最佳的不可分辨性。
       但是很有可能会有一个限制，对于两个腔，只有一个连接，所以它是有效的。但如果有多个腔，多个连接可能会使其效率低下，研究人员现在正在研究用于量子计算空腔的基本极限。