超高速量子计算机和通信设备可以彻底改变我们生活的方方面面,但前提是需要一种快速、高效的纠缠光子对的来源,这类系统用于传输和处理信息。现在,美国史蒂文斯理工学院的研究人员做到了这一点,据该校官方18日最新报道,研究人员不仅创造了一种基于芯片的光子源,其效率是以前的100倍,这使大规模量子设备集成变得触手可及。相关研究成果发表于17日的《物理评论快报》。

“这对量子通信来说是一个巨大的里程碑。”加拉格尔物理学副教授兼量子科学与工程中心主任黄玉平(音译)说。

为了创造光子对,研究人员会将光捕获在精心雕刻的纳米级微腔中。当光在空腔内循环时,其光子共振并分裂成纠缠对。但此处存在一个陷阱,即这样的系统效率极低,需要一束包含数亿个光子的入射光,才能让单个纠缠的光子对勉强从另一端传出。而现在,研究人员已开发出一种新的基于芯片的光子源,它的效率是以前任何设备的100倍,可以从一束微瓦功率的激光束中每秒创建数千万个纠缠光子对。

其背后原理是,研究人员在此前研究基础上,将极高质量的微腔雕刻成铌酸锂晶体薄片。跑道形状的空腔在内部反射光子,而能量损失非常小,使光能够循环更长的时间并以更高的效率相互作用。通过微调温度等附加因素,研究团队创造出前所未有的明亮纠缠光子对来源。在实践中,这使得给定的入射光可以产生更多的光子对,从而极大地减少了为量子组件供电所需的能量。

目前,该团队已经在研究进一步完善其工艺的方法,并希望很快达到可以将单个传入光子转变为一对纠缠的传出光子的系统,沿途几乎不会浪费能量。

由于这项技术已经可以基于芯片,因此研究人员表示准备通过集成其他无源或有源光学元件来开始扩大规模。

“最终目标是使量子设备高效、廉价运行,以使其能够集成到主流电子设备中。”黄玉平解释说,“我们希望将量子技术带出实验室,有朝一日孩子们能将量子笔记本电脑装在他们的背包里。”(实习记者张佳欣)