通向光子量子網(wǎng)絡(luò)的第一步 納米結(jié)構(gòu)革新光量子網(wǎng)絡(luò)

　　ICCSZ訊 這是光子槍的一個(gè)示意圖。量子點(diǎn)（黃色符號(hào)）每次發(fā)射一個(gè)光子（紅色波包）。該量子點(diǎn)嵌入在一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)中，該光子晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)在半導(dǎo)體材料中蝕刻孔洞（圖中黑色圓形符號(hào)）而獲得。由于這些孔洞，光子不能在所有方向上發(fā)射，而是只能沿著通過(guò)省略一些孔洞來(lái)形成的波導(dǎo)發(fā)射。

　　先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)正在對(duì)基于光的量子網(wǎng)絡(luò)的量子技術(shù)進(jìn)行革新。尼爾斯波爾研究所的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了第一個(gè)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜量子光子回路所需要的基本單元。量子網(wǎng)絡(luò)的這一快速發(fā)展在科學(xué)期刊《自然》的一篇文章中進(jìn)行了突出顯示。

　　基于光（光子）的量子技術(shù)被稱(chēng)為量子光子學(xué)，而電子學(xué)是以電子為基礎(chǔ)。光子（光粒子）和電子在量子水平上的表現(xiàn)非常不同。量子實(shí)體是微觀世界中最小單元。例如，光子是光的基本組成部分，電子是電流的基本組成部分。電子是所謂的費(fèi)米子，可以很容易被分離出來(lái)，從而以一次一個(gè)電子的形式傳導(dǎo)電流。相反，光子是玻色子，它喜歡擠在一起。但是由于基于光子的量子通信的信息是編碼在單個(gè)的光子內(nèi)，因此有必要以每次一個(gè)的方式來(lái)發(fā)射和發(fā)送它們。

　　增加信息容量

　　基于光子的信息有很大的優(yōu)勢(shì)；光子與環(huán)境的相互作用非常微弱——這一點(diǎn)與電子不同，所以光子不會(huì)在路上丟失太多的能量，因此可以遠(yuǎn)距離傳輸。因此，光子非常適合攜帶和分發(fā)信息，基于光子的量子網(wǎng)絡(luò)將能夠比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)加密更多的信息，而且這些信息不會(huì)在途中被截獲。

　　世界上的許多研究小組正在這一研究領(lǐng)域進(jìn)行大量的研究，該領(lǐng)域現(xiàn)在發(fā)展迅猛，實(shí)際上，第一批商業(yè)量子光子學(xué)產(chǎn)品正在開(kāi)始生產(chǎn)。

　　控制光子

　　量子網(wǎng)絡(luò)的先決條件是能夠根據(jù)需要來(lái)產(chǎn)生單光子流，而尼爾斯玻爾研究所的研究人員成功地做到了這一點(diǎn)。

　　“我們開(kāi)發(fā)出了一種光子芯片，它就像一把光子槍一樣。該光子芯片由一個(gè)非常小的晶體構(gòu)成，它只有10微米寬和160納米厚。嵌入在芯片中間的是一個(gè)光源，這就是所謂的量子點(diǎn)。

　　用激光照射量子點(diǎn)將會(huì)激發(fā)一個(gè)電子，該電子然后可以從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，從而一次發(fā)出一個(gè)光子。光子通?？梢酝蟹较虬l(fā)射，但該光子芯片的目的是使所有的光子都通過(guò)一個(gè)光子波導(dǎo)進(jìn)行發(fā)射，”Peter Lodahl解釋說(shuō)，他是哥本哈根大學(xué)尼爾斯波爾研究所量子光子學(xué)研究組組長(zhǎng)。

　　經(jīng)過(guò)一個(gè)長(zhǎng)期而艱苦的過(guò)程，該研究小組進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和測(cè)試了該光子芯片，直到其達(dá)到極致效率，Peter Lodahl解釋說(shuō)，令他們特別驚訝的是他們甚至可以得到一種以前沒(méi)想過(guò)有可能的光子發(fā)射的方式。正常情況下，光子在光子波導(dǎo)中會(huì)沿著兩個(gè)方向進(jìn)行傳輸，但在他們定制化的光子芯片中，他們可以打破這種對(duì)稱(chēng)性，并使該量子點(diǎn)區(qū)分向左和向右發(fā)射光子，這意味著可以發(fā)射定向光子。這意味著對(duì)光子的完全控制，研究者們開(kāi)始探索如何基于這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)來(lái)構(gòu)建完整的量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　“這些光子可以通過(guò)光纖來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，它們可以幾乎沒(méi)有損失地通過(guò)光纖。你有可能能建立起一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中光子將小的量子系統(tǒng)連接在一起，從而使這些小量子系統(tǒng)連接在一起形成一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)——量子互聯(lián)網(wǎng)，”Peter Lodahl解釋道 。

　　他補(bǔ)充說(shuō)，雖然第一個(gè)基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)是將其擴(kuò)展到大型復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)上。