麻省理工實(shí)現(xiàn)為“量子計(jì)算”生成高質(zhì)量單光子

日前，麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)出一種方法，能在室溫下產(chǎn)生更多攜帶量子信息的單光子，這種設(shè)計(jì)為實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展帶來了希望。量子發(fā)射器產(chǎn)生的光子可以一次檢測(cè)一個(gè)，量子計(jì)算機(jī)能利用這些光子的某些特性作為量子比特(“量子位”)來執(zhí)行計(jì)算。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理和存儲(chǔ)信息的比特是0或1，量子位元可以同時(shí)是0和1。這意味著量子計(jì)算機(jī)有可能解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。然而，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是產(chǎn)生具有相同量子特性的單個(gè)光子——被稱為“不可分辨”光子。為了改善這種難以分辨的特性，發(fā)射器將光通過一個(gè)光學(xué)腔匯聚起來，光子在這個(gè)光學(xué)腔中來回反射，這一過程有助于將光子的特性與腔匹配起來。
一般來說，光子在腔內(nèi)停留的時(shí)間越長，它們就越匹配。但也有一個(gè)權(quán)衡，在大的空腔中，量子發(fā)射器自發(fā)地產(chǎn)生光子，導(dǎo)致只有一小部分光子停留在空腔中，使得這個(gè)過程效率低下。較小空腔可提取更多光子，但光子的質(zhì)量較差，或者“可分辨”。
在2019年5月14日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇研究論文中，研究人員將一個(gè)洞分成兩個(gè)，每個(gè)洞都有一個(gè)指定的任務(wù)。一個(gè)更小的腔處理光子的有效提取，而一個(gè)附著的大腔存儲(chǔ)光子時(shí)間更長，以提高其不可分辨性。與單腔相比，研究人員耦合腔產(chǎn)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，效率大約是單腔的三倍。
麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室(RLE)的研究生，第一作者Hyeongrak“Chuck”Choi說：簡而言之，兩個(gè)總比一個(gè)好。

麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的種新單光子發(fā)射器，它可以在室溫下產(chǎn)生更多高質(zhì)量的光子，這些光子可以用于實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)、量子通信和其他量子設(shè)備。

在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，可以把兩個(gè)腔體的作用分開：第一個(gè)腔體只收集光子，而第二個(gè)腔體則專注于單一通道中的不可分辨性。一個(gè)腔同時(shí)扮演兩個(gè)角色不能同時(shí)滿足兩個(gè)指標(biāo)，但是兩個(gè)腔同時(shí)滿足這兩個(gè)指標(biāo)。論文作者DirkEnglund，電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，RLE研究員，量子光子實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人;；大連理工大學(xué)研究生朱迪；還有化學(xué)系的研究生YoseobYoon。新的量子發(fā)射器被稱為“單光子發(fā)射器”，是由純材料(如鉆石、摻雜碳納米管或量子點(diǎn))的缺陷造成。

由這些“人造原子”產(chǎn)生的光被光子晶體中一個(gè)微小光學(xué)腔捕獲——這是一種充當(dāng)鏡子的納米結(jié)構(gòu)。一些光子逃逸，但另一些則在空腔周圍反彈，這迫使光子具有相同的量子特性——主要是各種頻率特性。當(dāng)它們被測(cè)量到匹配時(shí)，它們通過波導(dǎo)離開腔體。但單光子發(fā)射器也會(huì)經(jīng)歷大量的環(huán)境噪聲，比如晶格振動(dòng)或電荷波動(dòng)，產(chǎn)生不同的波長或相位。不同性質(zhì)的光子不能被“干涉”，這樣它們的波就會(huì)重疊，產(chǎn)生干涉圖樣。這種干涉模式基本上是量子計(jì)算機(jī)用來觀察和測(cè)量計(jì)算任務(wù)的。

光子不可分辨性是測(cè)量光子干涉能力的一種方法。因此，模擬它們?cè)趯?shí)際量子計(jì)算中的應(yīng)用是一個(gè)有價(jià)值的度量標(biāo)準(zhǔn)。即使在光子干涉之前，由于無法分辨，也可以指定光子干涉的能力。如果我們知道這種能力，就能計(jì)算出如果他們把它用于量子技術(shù)，比如量子計(jì)算機(jī)、通信或中繼器，會(huì)發(fā)生什么。在研究人員的系統(tǒng)中，一個(gè)小空腔附著在一個(gè)發(fā)射器上，這在研究中是鉆石的一種光學(xué)缺陷，被稱為“硅空位中心”：一個(gè)硅原子取代了鉆石晶格中的兩個(gè)碳原子。由缺陷產(chǎn)生的光被收集到第一個(gè)腔中，由于光聚焦結(jié)構(gòu)，光子被提取的速率非常高。

然后納米特性將光子導(dǎo)入第二個(gè)更大的腔。在那里，光子在一段時(shí)間內(nèi)來回反彈。當(dāng)它們達(dá)到高不可分辨性時(shí)，光子通過一個(gè)由連接腔和波導(dǎo)的孔洞形成部分反射鏡排出。重要的是，這兩種腔體都不需要像傳統(tǒng)腔體那樣滿足嚴(yán)格的效率設(shè)計(jì)要求，也不需要像傳統(tǒng)腔體那樣難以區(qū)分。
傳統(tǒng)腔體被稱為“質(zhì)量因子(Q-factor)”。q因子越高，光腔內(nèi)的能量損失越小。但是具有高q因子的腔體在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。在這項(xiàng)研究中，耦合腔產(chǎn)生的光子質(zhì)量比單腔系統(tǒng)都要高。即使它的Q因子大約是單腔系統(tǒng)質(zhì)量的百分之一，它們也可以達(dá)到同樣的不可分辨性，效率是單腔系統(tǒng)的三倍。
根據(jù)應(yīng)用程序的不同，可以對(duì)空腔進(jìn)行調(diào)優(yōu)，以優(yōu)化效率和不可辨別的特性，并考慮Q因子上的任何約束。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槟壳霸谑覝叵逻\(yùn)行的排放物在質(zhì)量和性能上可能存在很大差異。接下來，研究人員正在測(cè)試多腔的極限理論。再多一個(gè)腔仍然可以有效地處理初始提取，但隨后將與多個(gè)腔相連接，使不同大小的光子達(dá)到某種最佳的不可分辨性。
但是很有可能會(huì)有一個(gè)限制，對(duì)于兩個(gè)腔，只有一個(gè)連接，所以它是有效的。但如果有多個(gè)腔，多個(gè)連接可能會(huì)使其效率低下，研究人員現(xiàn)在正在研究用于量子計(jì)算空腔的基本極限。