新的異常明亮光子讓量子通信“牢不可破”更近現實

科學家們創造了一種“異常明亮”的光源，它能夠生成量子糾纏光子（即光的粒子），可用於在未來的高速量子通信網絡中安全地傳輸數據。

未來的量子互聯網能夠利用成對的糾纏光子來傳輸信息——這意味着，不管距離遠近，這些粒子都會隨着時間和空間來共享信息。

依據量子力學的奇異定律，編碼到這些糾纏光子中的信息可以高速傳輸，而它們的“量子相干性”——即粒子處於糾纏的狀態——能夠確保數據不會被攔截。

但是，構建量子互聯網的關鍵挑戰之一在於，這些光子的強度會隨着傳播距離的增加而減弱，也就是說光源不夠亮。

要構建一個能夠在遠距離傳輸數據的成功的量子互聯網，光子必須足夠強，以防止“退相干”——也就是失去糾纏，並且導致它們所包含的信息消失。

在 7 月 24 日發表於《eLight》雜誌的一項研究裡，來自歐洲、亞洲和南美洲的科學家利用現有技術創造了一種新型量子信號源，它的亮度極高。

他們通過將光子點發射體（單光子或光粒子的發生器）與量子諧振器（一種增強量子特徵的裝置）相結合，創造出強大的新量子信號，以此實現了這一目標。

最近的研究之所以特別有趣，在於這些單獨的技術已經在實驗室中分別獲得了獨立驗證，但它們之前只是分別進行了測試。這項研究是它們首次被聯合使用。

研究人員將光子點發射器與圓形布拉格諧振器（一種用於引導電磁波的反射器）結合在壓電致動器（一種在施加熱量或應力時發電的裝置）上。它們共同創造了一種增強型的光子發射器，能夠對發射的光子進行微調，以實現最大程度的極化糾纏。這是通過使用壓電致動器進行控制的。

該設備產生的光子對具有高糾纏保真度和提取效率——這意味着每個光子都足夠明亮，能夠發揮作用，並且很好地保持了其“量子特徵”（一種有用的量子特性）。以前，很難同時實現有用的亮度水平和高的糾纏保真度，因爲每個方面都需要不同的技術，並且這些技術難以以可擴展的方式結合。

這是開發實用量子技術進程中的重大進步，展示了它們如何相互結合從而創造出更強大且可行的光源。

不幸的是，我們別指望很快就能有量子互聯網，因爲各項技術仍處於實驗和開發階段。用於研究的光子發射器的製造還需要有毒的原材料，比如砷，這得進行專業處理。光子點發射器所用到的砷化鎵在使用上也存在安全問題。費希爾科學，一家爲科學研究供應實驗室設備和化學品的供應商，指出砷化鎵因多種原因是危險的，其中包括其致癌特性。

使用這些材料所涉及的安全問題可能會限制所闡述方法的可擴展性。

所以，在爲未來的量子通信網絡生成明亮且糾纏的光子時，或許需要確定可行的替代材料。

開發過程的下一個階段將會是在壓電致動器上集成一個類似於二極管的結構。

這將能夠在量子點上產生電場，用以抵消退相干，進而提高糾纏程度。

科學家們表示，儘管在開發量子互聯網方面還有許多需要採取的進一步步驟，但成功地將光子發射器與共振器相結合，從而實現具有高亮度和糾纏特性的光子，仍然是邁出的重要一步。