成功實現為「量子計算」生成高質量單光子！

麻省理工學院的研究人員設計出一種方法，能在室溫下產生更多攜帶量子信息的單光子，這種設計為實用量子計算機的發展帶來了希望。量子發射器產生的光子可以一次檢測一個，量子計算機能利用這些光子的某些特性作為量子比特(「量子位」)來執行計算。傳統計算機處理和存儲信息的比特是0或1，量子位元可以同時是0和1。這意味著量子計算機有可能解決經典計算機無法解決的問題。

然而，關鍵的挑戰是產生具有相同量子特性的單個光子——被稱為「不可分辨」光子。為了改善這種難以分辨的特性，發射器將光通過一個光學腔匯聚起來，光子在這個光學腔中來回反射，這一過程有助於將光子的特性與腔匹配起來。一般來說，光子在腔內停留的時間越長，它們就越匹配。但也有一個權衡，在大的空腔中，量子發射器自發地產生光子，導致只有一小部分光子停留在空腔中，使得這個過程效率低下。

較小空腔可提取更多光子，但光子的質量較差，或者「可分辨」。在2019年5月14日發表在《物理評論快報》上的一篇研究論文中，研究人員將一個洞分成兩個，每個洞都有一個指定的任務。一個更小的腔處理光子的有效提取，而一個附著的大腔存儲光子時間更長，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。麻省理工學院電子研究實驗室(RLE)的研究生，第一作者Hyeongrak「Chuck」Choi說：簡而言之，兩個總比一個好。

麻省理工學院設計的種新單光子發射器，它可以在室溫下產生更多高質量的光子，這些光子可以用於實際的量子計算機、量子通信和其他量子設備。圖片：Massachusetts Institute of Technology

在這個結構中，可以把兩個腔體的作用分開：第一個腔體只收集光子，而第二個腔體則專註於單一通道中的不可分辨性。一個腔同時扮演兩個角色不能同時滿足兩個指標，但是兩個腔同時滿足這兩個指標。論文作者Dirk Englund，電子工程和計算機科學副教授，RLE研究員，量子光子實驗室的負責人;；大連理工大學研究生朱迪；還有化學系的研究生Yoseob Yoon。新的量子發射器被稱為「單光子發射器」，是由純材料(如鑽石、摻雜碳納米管或量子點)的缺陷造成。

由這些「人造原子」產生的光被光子晶體中一個微小光學腔捕獲——這是一種充當鏡子的納米結構。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。當它們被測量到匹配時，它們通過波導離開腔體。但單光子發射器也會經歷大量的環境雜訊，比如晶格振動或電荷波動，產生不同的波長或相位。不同性質的光子不能被「干涉」，這樣它們的波就會重疊，產生干涉圖樣。這種干涉模式基本上是量子計算機用來觀察和測量計算任務的。

光子不可分辨性是測量光子干涉能力的一種方法。因此，模擬它們在實際量子計算中的應用是一個有價值的度量標準。即使在光子干涉之前，由於無法分辨，也可以指定光子干涉的能力。如果我們知道這種能力，就能計算出如果他們把它用於量子技術，比如量子計算機、通信或中繼器，會發生什麼。在研究人員的系統中，一個小空腔附著在一個發射器上，這在研究中是鑽石的一種光學缺陷，被稱為「硅空位中心」：一個硅原子取代了鑽石晶格中的兩個碳原子。由缺陷產生的光被收集到第一個腔中，由於光聚焦結構，光子被提取的速率非常高。

然後納米特性將光子導入第二個更大的腔。在那裡，光子在一段時間內來回反彈。當它們達到高不可分辨性時，光子通過一個由連接腔和波導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腔體那樣滿足嚴格的效率設計要求，也不需要像傳統腔體那樣難以區分。傳統腔體被稱為「質量因子(Q-factor)」。q因子越高，光腔內的能量損失越小。但是具有高q因子的腔體在技術上具有挑戰性。在這項研究中，耦合腔產生的光子質量比單腔系統都要高。即使它的Q因子大約是單腔系統質量的百分之一，它們也可以達到同樣的不可分辨性，效率是單腔系統的三倍。

根據應用程序的不同，可以對空腔進行調優，以優化效率和不可辨別的特性，並考慮Q因子上的任何約束。這一點很重要，因為目前在室溫下運行的排放物在質量和性能上可能存在很大差異。接下來，研究人員正在測試多腔的極限理論。再多一個腔仍然可以有效地處理初始提取，但隨後將與多個腔相連接，使不同大小的光子達到某種最佳的不可分辨性。但是很有可能會有一個限制，對於兩個腔，只有一個連接，所以它是有效的。但如果有多個腔，多個連接可能會使其效率低下，研究人員現在正在研究用於量子計算空腔的基本極限。

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