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德國研究團隊利用全新量子系統開發量子通信組件

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2022年1月21日 -
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如果用兩種不同顏色的激光器來激發一個量子系統，它可以通過一個向上擺動的過程被激發。 這相當於量子系統中的螺旋運動。 資料來源:明斯特大學-AG Reiter
繼“第一次量子革命”——激光和原子鐘等設備的開發之後，“第二次量子革命”目前正如火如荼地進行著。 來自世界各地的專家正在開發基於量子物理學的全新技術。 其中一個關鍵的應用是量子通信，信息通過光來書寫和發送。 在許多利用量子效應的應用中，光必須處於某種狀態，即單光子狀態。 但是產生這種單光子態的最好方法是什麼呢?在《PRX量子雜志》上，來自德國明斯特、拜羅伊特和柏林的研究人員提出了一種全新的准備量子系統的方法，以開發量子技術的組件。 
產生單光子
在專家看來，利用量子系統來產生單光子態是非常有前途的。 這種量子系統的一個著名例子是量子點。 這是一個半導體結構，只有幾個納米大小。 量子點可以用激光脈沖來控制。 量子點具有與原子相似的特性，比較實際的應用是被嵌入到晶體矩陣中。 “量子點在產生單光子方面非常出色，這是我們幾乎每天都在實驗室裏做的事情，”在柏林技術大學(Technical University of Berlin)管理量子通信實驗實驗室的托拜厄斯·海因德爾(Tobias Heindel)博士說。 他補充說:“但仍有很大的改進空間，特別是在將這項技術從實驗室轉移到實際應用方面。 ”
需要克服的一個困難是將產生的單光子從激發的激光脈沖中分離出來。 在他們的工作中，研究人員提出了一種全新的方法來解決這個問題。 “激發利用了量子系統中的一個搖擺過程，”明斯特大學的托馬斯·布拉赫特（Thomas Bracht）解釋說，他是這項研究的主要作者。 “為此，我們使用一個或多個激光脈沖，其頻率與系統中的頻率相差很大。 這使得光譜濾波非常容易。 ”
在量子通信中，光子在量子系統(Alice)中產生，通過光纜傳輸到探測系統(Bob)。 資料來源:德國物理技術協會(PTB)和托拜厄斯·海因德爾/柏林工業大學
Swing-up Process
科學家們將“擺起過程”（swing-up process）定義為量子系統中被激光激發的粒子的一種特殊行為——電子，或者更精確地說，電子-空穴對(激子)。 在這裏，來自兩個激光器的激光幾乎同時發射光脈沖。 由於脈沖之間的相互作用，產生了一個快速調制，在每個調制周期中，粒子總是被激發一點，然後再次向基態傾斜。 然而，在這個過程中，它並沒有回落到之前的水平，而是隨著每次向上擺動而變得更加強烈，直到達到最大狀態。 這種方法的優點是激光不具有與被激發粒子發出的光相同的頻率。 這意味著由量子點產生的光子可以被清楚地分配。 
該團隊在量子系統中模擬了這一過程，從而為實驗實施提供了指導。 “我們還解釋了向上擺動過程的物理原理，這有助於我們更好地理解量子系統中的動力學，”領導這項研究的副教授多麗絲·瑞特（Doris Reiter）博士說。 
為了能夠在量子通信中使用光子，它們必須具有某些特性。 此外，量子系統的任何准備都不應受到環境過程或破壞性影響的負面影響。 在量子點中，特別是與周圍半導體材料的相互作用往往是這種制備方案的一個大問題。 “我們的數值模擬顯示，在跳起過程後產生的光子的性質與現有的產生單個光子的方法的結果相當，這些方法不太實用，”來自拜羅伊特的研究團隊的負責人馬丁·阿克塞特（Martin Axt）教授補充道。 
這項研究是理論工作。 然而，由於理論小組和實驗小組的合作，該提議非常接近實際的實驗實驗室條件，作者有信心，該方案的實驗實施將很快成為可能。 有了這些結果，研究人員朝著未來的量子技術又邁出了一步。 
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https://phys.org/news/2021-12-quantum-components-technology.html

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如果用兩種不同顏色的激光器來激發一個量子系統，它可以通過一個向上擺動的過程被激發。這相當於量子系統中的螺旋運動。資料來源:明斯特大學-AG Reiter

繼“第一次量子革命”——激光和原子鐘等設備的開發之後，“第二次量子革命”目前正如火如荼地進行著。來自世界各地的專家正在開發基於量子物理學的全新技術。其中一個關鍵的應用是量子通信，信息通過光來書寫和發送。在許多利用量子效應的應用中，光必須處於某種狀態，即單光子狀態。但是產生這種單光子態的最好方法是什麼呢?在《PRX量子雜志》上，來自德國明斯特、拜羅伊特和柏林的研究人員提出了一種全新的准備量子系統的方法，以開發量子技術的組件。

產生單光子

在專家看來，利用量子系統來產生單光子態是非常有前途的。這種量子系統的一個著名例子是量子點。這是一個半導體結構，只有幾個納米大小。量子點可以用激光脈沖來控制。量子點具有與原子相似的特性，比較實際的應用是被嵌入到晶體矩陣中。“量子點在產生單光子方面非常出色，這是我們幾乎每天都在實驗室裏做的事情，”在柏林技術大學(Technical University of Berlin)管理量子通信實驗實驗室的托拜厄斯·海因德爾(Tobias Heindel)博士說。他補充說:“但仍有很大的改進空間，特別是在將這項技術從實驗室轉移到實際應用方面。”

需要克服的一個困難是將產生的單光子從激發的激光脈沖中分離出來。在他們的工作中，研究人員提出了一種全新的方法來解決這個問題。“激發利用了量子系統中的一個搖擺過程，”明斯特大學的托馬斯·布拉赫特（Thomas Bracht）解釋說，他是這項研究的主要作者。“為此，我們使用一個或多個激光脈沖，其頻率與系統中的頻率相差很大。這使得光譜濾波非常容易。”

在量子通信中，光子在量子系統(Alice)中產生，通過光纜傳輸到探測系統(Bob)。資料來源:德國物理技術協會(PTB)和托拜厄斯·海因德爾/柏林工業大學

Swing-up Process

科學家們將“擺起過程”（swing-up process）定義為量子系統中被激光激發的粒子的一種特殊行為——電子，或者更精確地說，電子-空穴對(激子)。在這裏，來自兩個激光器的激光幾乎同時發射光脈沖。由於脈沖之間的相互作用，產生了一個快速調制，在每個調制周期中，粒子總是被激發一點，然後再次向基態傾斜。然而，在這個過程中，它並沒有回落到之前的水平，而是隨著每次向上擺動而變得更加強烈，直到達到最大狀態。這種方法的優點是激光不具有與被激發粒子發出的光相同的頻率。這意味著由量子點產生的光子可以被清楚地分配。

該團隊在量子系統中模擬了這一過程，從而為實驗實施提供了指導。“我們還解釋了向上擺動過程的物理原理，這有助於我們更好地理解量子系統中的動力學，”領導這項研究的副教授多麗絲·瑞特（Doris Reiter）博士說。

為了能夠在量子通信中使用光子，它們必須具有某些特性。此外，量子系統的任何准備都不應受到環境過程或破壞性影響的負面影響。在量子點中，特別是與周圍半導體材料的相互作用往往是這種制備方案的一個大問題。“我們的數值模擬顯示，在跳起過程後產生的光子的性質與現有的產生單個光子的方法的結果相當，這些方法不太實用，”來自拜羅伊特的研究團隊的負責人馬丁·阿克塞特（Martin Axt）教授補充道。

這項研究是理論工作。然而，由於理論小組和實驗小組的合作，該提議非常接近實際的實驗實驗室條件，作者有信心，該方案的實驗實施將很快成為可能。有了這些結果，研究人員朝著未來的量子技術又邁出了一步。

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