科学家实现快速操控光的量子状态

据美国物理学家组织网2月14日（北京时间）报道，科学家一直希望用光子代替电子实现更快捷安全的光通讯，现在，科学家们成功证明，他们能更快速地（在几纳秒内）控制与目前光通讯网络中所用光波波长一样的光子的路径和偏振，新光子电路可整合进现有的光通讯网络中，从而显著改进网络的性能。最新研究朝实现光量子通讯迈进了一步。英国布里斯托大学、赫瑞瓦特大学、荷兰卡弗里纳米科学研究所的科学家们将这项快速控制单光子的路径和偏振的研究发表在最新一期《物理评论学快报》杂志上。他们在对一个由电路组成的量子光学设备进行研究时发现，单个光子会移动穿过这些电路，这些电路也能被重新配置从而改变光子的路径和偏振方向。然而，这种量子光学电路无法快速操纵单光子和多光子的状态。为了解决这一问题，他们使用了已被证明能在现有通讯调制器中进行快速操纵的铌酸锂波导，并证明对电极附近的波导施加电压能快速操控由波长为1550纳米的一个或两个光子组成的光的量子（包括路径和偏振）状态，该波长正是现有通讯网络中采用的波长。领导该研究的布里斯托大学的达米恩·博诺表示：“在这个实验中，我们演示了两种电路配置，每种电路配置都会导致不同的量子状态，一次配置仅需几纳秒，而在以前的实验中，每几秒才能对电路进行一次重新配置。现在的通讯网每天都在使用由同样技术制成的开关来传递由光脉冲编码的信息字节，从原理上来讲，这样的开关也能用于单光子层面。” 博诺表示：“迄今为止，在芯片上操纵光的量子状态一直依靠加热器，其能作为慢速移相器来使用。最新研究表明，铌酸锂波导能采用一种与以前迥然不同的方法来更快速地操控光的量子状态。现在，我们不仅能打开和关闭光包以便按规定路线发送传统信息，也能够快速处理和操纵光的量子状态。” 科学家们指出，能在单个平台上快速控制单光子的偏振和路径对基础量子科学和量子技术来说都至关重要。博诺表示，制造这些设备的铌酸锂材料也能随机产生光子，另外，具有超导性的单光子探测器也能被整合在这样的芯片上。一个结合了能随机产生光子的光源、电路以及探测器的技术平台可用于以下几方面：通过对几个光子来源进行多路传输从而获得可靠的单光子源、长距离量子通讯需要使用的量子继电器、量子密码学中用到的量子密钥分配等。以前有些老式收音机使用电子管，每次工作前都要预热。随着半导体管的应用，预热时间就被节省下来了。如今，光量子调制设备领域也出现了类似的进步——以前用加热器，几秒钟才能重新配置电路，现在几纳秒就可以切换到另一个电路。使用铌酸锂材料作波导设备，在调制解调器时代是很平常的技术手段。但谁能想到，平平无奇的光电转化设备稍加变化，可以帮助最前沿的光量子通信研究取得突破？现在随着光源、电路和探测器整合到一起，量子通信研究者的工作量可以减轻不少了。（来源：科技日报刘霞）