6月13日，瑞士巴塞爾大學宣布，該校Richard Warburton領導的研究人員與波鴻魯爾大學的同事合作，成功創造了來自兩個不同且相距較遠的源的全同光子。

 

半導體量子點是明亮且快速的相干單光子源。但在應用方面存在障礙：獨立量子點產生的干涉單光子的量子相干性差。現在，研究人員使用來自兩個完全獨立的砷化鎵(GaAs)量子點的光子，演示了可見度接近1((93.0±0.8)%)的雙光子干涉。

 

通過利用量子干涉，他們展示了光子受控非電路和不同源的光子之間保真度為(85.0±1.0)%的糾纏。雙光子干涉可見度足夠高，以至于糾纏保真度遠高于經典閾值。

 

研究成果以《來自遠程GaAs量子點的全同光子的量子干涉》為題發表在《自然·納米技術》雜志上[1]。
 

盡管巴塞爾研究人員的量子點不同，但他們發射的光子完全相同。

 

實驗中，物理學家使用了量子點——半導體中只有幾納米大小的結構。電子在量子點中被捕獲，因此它們只能具有非常特定的能級。從一個能級躍遷到另一個能級時發出光，在觸發這種躍遷的激光脈沖的幫助下，只需按一下按鈕即可產生單個光子。

 

巴塞爾大學博士后研究員、論文第一作者Lian Zhai解釋說：“近年來，其他研究人員已經用不同的量子點創造了全同光子，然而，要做到這一點，他們必須使用光學過濾器從大量光子中挑選出最相似的光子。”這樣，只剩下很少的可用光子。

 

Warburton團隊則選擇了一種不同的、更具前途的方法。

 

首先，波鴻魯爾大學的專家生產出極其純凈的砷化鎵（GaAs），并由此制成量子點。因此，不同量子點之間的自然變化可以保持在最低限度。然后，巴塞爾大學的物理學家團隊使用電極將兩個量子點暴露在精確調諧的電場中：這些場修改了量子點的能級，并且它們以這樣的方式進行調整，即量子點發射的光子具有完全相同的波長。

 

為了證明這些光子實際上是無法區分的，研究人員將它們發送到一面半鍍銀的鏡子上。他們觀察到，幾乎每次，光子要么成對穿過鏡子，要么成對反射。最終他們實現了可見度(93.0±0.8)%的雙光子干涉，即光子有93%是相同的。

 

此外，研究人員能夠實現量子計算機的一個重要組成部分——受控非門（或CNOT門）。這樣的門可以用來實現量子算法，并比經典計算機更快地解決某些問題。
 

連接遠程量子點的光量子邏輯操作。(a)基于遠程量子點(QD)之間雙光子干擾的CNOT門的實驗裝置簡圖。來自QD2的光子用于控制量子比特，而來自QD1的光子用于目標量子比特。在門操作之后（用黃色突出顯示），量子態通過重合測量來預測。(b、c)|H /|V 和|+ /|- 基的真值表。巧合事件通過對各自的輸入態進行歸一化來轉換為概率。對于每個輸入態，研究人員累積了500個巧合事件的總計數。空的虛線代表理想的CNOT操作。(d、e)由CNOT門產生的狀態|Ψ- 的密度算子的實部和虛部。測量的密度矩陣的實部接近理想狀態(用空條表示)。在虛數部分，所有條形的強度都低于0.03。

 

從兩個不同的量子點中生成全同光子只是他們工作的第一步，未來將進一步提高性能。“現在我們全同光子的產量只有1%左右，”巴塞爾大學博士生Gian Nguyen表示，“然而，我們已經有了一個相當好的想法，即未來如何提高產量。這將使雙光子方法為不同量子技術的潛在應用做好準備。[2]”