在过去的二十年中，量子信息科学领域已经取得了巨大进展。科学家们希望借助量子力学的奇异性质解决计算、通信、传感以及精密测量系统中的难题。光学量子信息处理就是这一领域的重要研究方向，而建造能够可靠制造单光子的单光子源，是促进量子信息科学研究的关键之一。不过由于量子过程本质上有随机性，搭建这种光子源的每一个步骤都充满了挑战性。
据每日科学网站近日报道，《科学进展》杂志发文称，美国伊利诺伊大学物理学教授Paul Kwiat和前博士后研究员Fumihiro Kaneda已建造了一种新的单光子源。虽仍在继续改进中，但通过升级，此设备能高效产生近30个光子。这种级别的光子源正是光量子信息应用所需要的“利器”。 迄今为止，可用单光子的最大发电效率一直很低。这是为什么呢？量子光学研究人员经常使用自发参量下转换（SPDC）的非线性光学效应来制造光子对。在设计好的晶体中，一个高能光子可以分裂成一对低能光子。产生光子对非常重要：研究人员探测到其中一个光子，导致其被破坏，可以“预示”另一个光子的存在，即光子源的单光子输出。但是，要实现一个光子到光子对的量子转换是非常困难的。Kwiat指出：“SPDC是一种量子过程，它具有不确定性。恰好产生一对光子的概率最多只有25%。”
Kwiat和Kaneda使用“多路复用”技术解决了SPDC的低效问题。Kwiat说：“把一堆不同的可能性映射到一个可能性上面，这可以显著提高成功的几率。”将光源脉冲40次，基本上可以保证每次运行至少能产生一个光子对。更重要的是，光子存储每个周期内的延迟线损耗率只有1.2%。由于光源会被脉冲多次，低损耗率是非常重要的。否则，最初几次脉冲中产生的光子很容易丢失。
当光子最终被释放时，它们被高效率地耦合到了单模光纤中。这正是光子在量子信息应用中需要达到的状态。Kwiat认为，以这种方式制造光子，效率的提升是显著的。例如，如果一种应用需要一个12光子的光子源，那么研究人员只需将6个独立的SPDC源排成一行，等待它们出现同时制造光子对的事件就行了。他说：“虽然很多研究人员已经使用了多个光子态，但他们需要等上大约两分钟。我们能够根据制造速度计算可能性。虽然我们的尝试频率很低，大概每两微秒一次，但由于我们使用了多路复用技术，效率反而高得多——我们每秒可以产生近4000个12光子事件。换句话讲，我们的速度加快了接近50万倍。”然而，Kwiat等认为，新技术还存在一些问题。例如，下转换过程的随机性可能会产生多个光子对，而非单个光子对。
接下来，Kwiat团队将如何处理这些罕见的非需多光子事件呢？Colin Lualdi是Kwiat团队的研究生，他正在利用光子数字解析探测器升级光源。这种改进将有助于完全消除多光子事件的问题。此外，Kwiat团队还在致力于提高单光子源设备各个组件的效率。Lualdi坚信，升级版单光子源设备的单光子生产速度将远超现有水平。
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编译：雷鑫宇
责编：张梦
期刊来源：《科学进展》
期刊编号：2375-2548
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191005134020.htm
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