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德国研究团队利用全新量子系统开发量子通信组件

量子创投界

2021-12-22

导读：在《PRX量子杂志》上，来自德国明斯特、拜罗伊特和柏林的研究人员提出了一种全新的准备量子系统的方法，以开发量子技术的组件。

如果用两种不同颜色的激光器来激发一个量子系统，它可以通过一个向上摆动的过程被激发。这相当于量子系统中的螺旋运动。资料来源:明斯特大学-AG Reiter

继“第一次量子革命”——激光和原子钟等设备的开发之后，“第二次量子革命”目前正如火如荼地进行着。来自世界各地的专家正在开发基于量子物理学的全新技术。其中一个关键的应用是量子通信，信息通过光来书写和发送。在许多利用量子效应的应用中，光必须处于某种状态，即单光子状态。但是产生这种单光子态的最好方法是什么呢?在《PRX量子杂志》上，来自德国明斯特、拜罗伊特和柏林的研究人员提出了一种全新的准备量子系统的方法，以开发量子技术的组件。

产生单光子

在专家看来，利用量子系统来产生单光子态是非常有前途的。这种量子系统的一个著名例子是量子点。这是一个半导体结构，只有几个纳米大小。量子点可以用激光脉冲来控制。量子点具有与原子相似的特性，比较实际的应用是被嵌入到晶体矩阵中。“量子点在产生单光子方面非常出色，这是我们几乎每天都在实验室里做的事情，”在柏林技术大学(Technical University of Berlin)管理量子通信实验实验室的托拜厄斯·海因德尔(Tobias Heindel)博士说。他补充说:“但仍有很大的改进空间，特别是在将这项技术从实验室转移到实际应用方面。”

需要克服的一个困难是将产生的单光子从激发的激光脉冲中分离出来。在他们的工作中，研究人员提出了一种全新的方法来解决这个问题。“激发利用了量子系统中的一个摇摆过程，”明斯特大学的托马斯·布拉赫特（Thomas Bracht）解释说，他是这项研究的主要作者。“为此，我们使用一个或多个激光脉冲，其频率与系统中的频率相差很大。这使得光谱滤波非常容易。”

在量子通信中，光子在量子系统(Alice)中产生，通过光缆传输到探测系统(Bob)。资料来源:德国物理技术协会(PTB)和托拜厄斯·海因德尔/柏林工业大学

Swing-up Process

科学家们将“摆起过程”（swing-up process）定义为量子系统中被激光激发的粒子的一种特殊行为——电子，或者更精确地说，电子-空穴对(激子)。在这里，来自两个激光器的激光几乎同时发射光脉冲。由于脉冲之间的相互作用，产生了一个快速调制，在每个调制周期中，粒子总是被激发一点，然后再次向基态倾斜。然而，在这个过程中，它并没有回落到之前的水平，而是随着每次向上摆动而变得更加强烈，直到达到最大状态。这种方法的优点是激光不具有与被激发粒子发出的光相同的频率。这意味着由量子点产生的光子可以被清楚地分配。

该团队在量子系统中模拟了这一过程，从而为实验实施提供了指导。“我们还解释了向上摆动过程的物理原理，这有助于我们更好地理解量子系统中的动力学，”领导这项研究的副教授多丽丝·瑞特（Doris Reiter）博士说。

为了能够在量子通信中使用光子，它们必须具有某些特性。此外，量子系统的任何准备都不应受到环境过程或破坏性影响的负面影响。在量子点中，特别是与周围半导体材料的相互作用往往是这种制备方案的一个大问题。“我们的数值模拟显示，在跳起过程后产生的光子的性质与现有的产生单个光子的方法的结果相当，这些方法不太实用，”来自拜罗伊特的研究团队的负责人马丁·阿克塞特（Martin Axt）教授补充道。

这项研究是理论工作。然而，由于理论小组和实验小组的合作，该提议非常接近实际的实验实验室条件，作者有信心，该方案的实验实施将很快成为可能。有了这些结果，研究人员朝着未来的量子技术又迈出了一步。

相关链接

https://phys.org/news/2021-12-quantum-components-technology.html

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