研究人員開發了一種使用量子點檢測單光子或輕粒子的新方法

由阿肯色大學工程和物理系的一批研究人員開發了一種使用量子點檢測單光子或輕粒子的新方法。

單光子檢測技術是實現量子信息應用的關鍵因素，單光子檢測是一種傳輸信息的方法，這種信息傳輸方法比現有方法更快更安全。 單光子檢測技術還有其他應用，包括生物和醫學成像，光譜學和天文觀測。

電氣工程系副教授，綽號「Fisher」的 Shui-Qing Yu，著名物理學教授Greg Salamo，以及當時電子工程博士後同事Yang Zhang與達特茅斯大學和威斯康星大學的同事們合作進行了這項研究，該研究最近被發表在ACS Photonics雜誌上（「Detecting Single Photons Using Capacitive Coupling of Single Quantum Dots」）。

單光子探測器的示意圖。光子由波浪多色線表示，紅色點表示量子點。（圖片來源：Yang Zhang）

量子信息使用粒子的不同量子態，例如極化或相位來編碼信息。由於量子信息不局限於慣常使用的零和一來編碼數字信息，該技術可以非常安全地傳輸大量信息。

由於量子信息可以使用無限多種量子態來傳輸，因此發送者和接收者必須對使用哪種狀態來編碼和解譯數據達成一致。如果不知道編碼和解譯所使用的量子態，當別人攔截這個信號就沒有辦法讀取它。

光子是光的量子。當一個光子進入量子信息系統中的一個探測器時，它的能量被轉移到一個電子上，併產生一個電流或一個電壓。但是，這種作用非常小，且很難被檢測到。光子探測器的其他設計通過使用被稱為雪崩光電二極體的設備來放大電流或電壓來解決這個問題，但是這種方法往往會增加檢測延遲並增加背景雜訊。

這些研究人員創建和模擬的新方法利用量子點來解決上述問題，量子點是一種半導體納米級粒子，用於檢測單光子。與其他方法相比，由該探測器中的單光子引起的電壓變化很大，同時背景噪音水平低。

Yu將單光子的檢測比喻成在容器中加入一滴水。「如果你把一滴水放在一個大水箱里，這個變化很難觀察到，」他說。「但是如果你把一滴水放入一個非常小的容器中，你就可以更容易地看到變化。」在研究人員們的設計中，電子在一個小容器 - 量子點中。

研究人員們已經使用計算機模型證明了他們的設計可以比現有技術更精確地檢測單光子。

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