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激光束提取光粒子推进量子计算发展

  研究人员表示,从激光束中提取单个光粒子可能为量子计算带来巨大突破。

  以色列魏茨曼科学研究所物理学家们通过超冷原子和顶尖光学技术成功从单束光中提取出了单个光子。

  物理学家们对单个光子兴趣极大,因为控制它们的是量子力学规则而不是经典物理学的规则。许多科学家都将光子作为未来量子计算系统信息传播的一个重要载体。

  来自开发出了这种新研究方法的魏茨曼科学研究所的高级研究员Barak Dayan表示:“由光子组成的光是目前我们拥有的最好信息载体。但是一旦进入量子计算领域,我们将不得不使用单个光子作为信息载体,因为控制单个光子将变得非常关键。”

  在2014年发表在科学杂志上的一份研究中,研究人员就展示了这种方法在量子通信系统中创建全光路由器的应用。他们创建了一个开关沿着不同的路劲发送单个光子,开关的位置由与光子的交互决定,然后通过量子信息进行编码。

  研究人员表示,量子通信的主要优势在于它的超安全性;因为任何测量量子系统的过程都会对光子产生干扰。这也便于操作员发现任何窃听现象。但是Dayan表示,他们制定的解决方案可用于监视某些系统。

  目前大多数单光子源并不完美,偶尔会产生多个光子。Dayan表示:“其中令人担忧的一点是,一个聪明的人知道,如果只有一个光子,不会发生什么;但是如果有两个光子,设备就会对另外一个进行拦截。”

  这也被叫做“光子数分束攻击”,可以被用来进行信息解码,而粒子被拦截的过程不会被侦测到。相反,运营商可以通过这种方式移除额外的光子进而确保信息传输的安全。

  在此之前,研究人员就通过被称作光子提取法的低反射光束分离器转移粒子从光束中移除单个光子。

  但是这种方法是概率性的,也就是说不能确定每束光的光子是否成功移除。此外,唯一能决定该过程是否成功的方法是使用光子探测器,它能吸收光粒子;但是这也意味着它不能用于其他用途。

  Dayan指出他们的试验有两个优点。第一个是:从原则上讲,它经常发生,这也是确定的。第二个是,光子并没有失去,而只是进行了转移,因此可以用于其他目的。

  这种方案使用了单个固定的铷原子,通过激光将其冷却至近绝对零度。(绝对零度约等于摄氏温标零下273.15摄氏度。)再加上一个微光学谐振器---30微米宽的玻璃球,用来限定光使其适合单个光子与原子之间的互动。光是通过纳米光纤电缆输入到该谐振器中的。

  研究人员依靠他们称之为“单光子拉曼效应”或者SPRINT的物理现象。这会导致原子阻断光的传输直到单个光子被反射回来,届时该原子对其他光子来讲就变得透明了。

  科学家表示,不同于以往的光子提取方法,SPRINT效应从其本质上来讲,总是能从入射光束中移除单个光子。尽管目前研究人员将提取的光子通过探测器来验证他们的发现,但是光粒子也可以转移至其他地方。

  但是Dayan坚持指出,目前他的团队旨在验证SPRINT效应,而不是构建一个实际的量子通信设备。他表示:“实现过程非常复杂,这就是为什么之前没有人做过的原因。结合了多种技术,而技术的结合又非常具有挑战性。这就是我们花了多年时间来建立这个实验室和实验设置的原因。”

  超冷原子的使用超出了商业系统的范畴;但是Dayan指出研究人员正在进行一系列技术的研究,旨在模拟原子的独特性能,包括量子点---能表现出有趣的量子效应的微型半导体,例如能从波长中吸收光并将其转变成不同波长高饱和度的光。

  Dayan表示:“一旦其中一项技术成熟了,我们验证的效果也将变得实用。”(文/Oscar译) 

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