研究人員表示，從激光束中提取單個(gè)光粒子可能為量子計(jì)算帶來巨大突破。
以色列魏茨曼科學(xué)研究所物理學(xué)家們通過超冷原子和頂尖光學(xué)技術(shù)成功從單束光中提取出了單個(gè)光子。
物理學(xué)家們對(duì)單個(gè)光子興趣極大，因?yàn)榭刂扑鼈兊氖橇孔恿W(xué)規(guī)則而不是經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)則。許多科學(xué)家都將光子作為未來量子計(jì)算系統(tǒng)信息傳播的一個(gè)重要載體。
來自開發(fā)出了這種新研究方法的魏茨曼科學(xué)研究所的高級(jí)研究員Barak Dayan表示：“由光子組成的光是目前我們擁有的最好信息載體。但是一旦進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域，我們將不得不使用單個(gè)光子作為信息載體，因?yàn)榭刂茊蝹€(gè)光子將變得非常關(guān)鍵。”
在2014年發(fā)表在科學(xué)雜志上的一份研究中，研究人員就展示了這種方法在量子通信系統(tǒng)中創(chuàng)建全光路由器的應(yīng)用。他們創(chuàng)建了一個(gè)開關(guān)沿著不同的路勁發(fā)送單個(gè)光子，開關(guān)的位置由與光子的交互決定，然后通過量子信息進(jìn)行編碼。
研究人員表示，量子通信的主要優(yōu)勢在于它的超安全性；因?yàn)槿魏螠y量量子系統(tǒng)的過程都會(huì)對(duì)光子產(chǎn)生干擾。這也便于操作員發(fā)現(xiàn)任何竊聽現(xiàn)象。但是Dayan表示，他們制定的解決方案可用于監(jiān)視某些系統(tǒng)。
目前大多數(shù)單光子源并不完美，偶爾會(huì)產(chǎn)生多個(gè)光子。Dayan表示：“其中令人擔(dān)憂的一點(diǎn)是，一個(gè)聰明的人知道，如果只有一個(gè)光子，不會(huì)發(fā)生什么；但是如果有兩個(gè)光子，設(shè)備就會(huì)對(duì)另外一個(gè)進(jìn)行攔截。”
這也被叫做“光子數(shù)分束攻擊”，可以被用來進(jìn)行信息解碼，而粒子被攔截的過程不會(huì)被偵測到。相反，運(yùn)營商可以通過這種方式移除額外的光子進(jìn)而確保信息傳輸?shù)陌踩?/div>
在此之前，研究人員就通過被稱作光子提取法的低反射光束分離器轉(zhuǎn)移粒子從光束中移除單個(gè)光子。
但是這種方法是概率性的，也就是說不能確定每束光的光子是否成功移除。此外，唯一能決定該過程是否成功的方法是使用光子探測器，它能吸收光粒子；但是這也意味著它不能用于其他用途。
Dayan指出他們的試驗(yàn)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)是：從原則上講，它經(jīng)常發(fā)生，這也是確定的。第二個(gè)是，光子并沒有失去，而只是進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，因此可以用于其他目的。
這種方案使用了單個(gè)固定的銣原子，通過激光將其冷卻至近絕對(duì)零度。(絕對(duì)零度約等于攝氏溫標(biāo)零下273.15攝氏度。)再加上一個(gè)微光學(xué)諧振器---30微米寬的玻璃球，用來限定光使其適合單個(gè)光子與原子之間的互動(dòng)。光是通過納米光纖電纜輸入到該諧振器中的。
研究人員依靠他們稱之為“單光子拉曼效應(yīng)”或者SPRINT的物理現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致原子阻斷光的傳輸直到單個(gè)光子被反射回來，屆時(shí)該原子對(duì)其他光子來講就變得透明了。
科學(xué)家表示，不同于以往的光子提取方法，SPRINT效應(yīng)從其本質(zhì)上來講，總是能從入射光束中移除單個(gè)光子。盡管目前研究人員將提取的光子通過探測器來驗(yàn)證他們的發(fā)現(xiàn)，但是光粒子也可以轉(zhuǎn)移至其他地方。
但是Dayan堅(jiān)持指出，目前他的團(tuán)隊(duì)旨在驗(yàn)證SPRINT效應(yīng)，而不是構(gòu)建一個(gè)實(shí)際的量子通信設(shè)備。他表示：“實(shí)現(xiàn)過程非常復(fù)雜，這就是為什么之前沒有人做過的原因。結(jié)合了多種技術(shù)，而技術(shù)的結(jié)合又非常具有挑戰(zhàn)性。這就是我們花了多年時(shí)間來建立這個(gè)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的原因。”
超冷原子的使用超出了商業(yè)系統(tǒng)的范疇；但是Dayan指出研究人員正在進(jìn)行一系列技術(shù)的研究，旨在模擬原子的獨(dú)特性能，包括量子點(diǎn)---能表現(xiàn)出有趣的量子效應(yīng)的微型半導(dǎo)體，例如能從波長中吸收光并將其轉(zhuǎn)變成不同波長高飽和度的光。
Dayan表示：“一旦其中一項(xiàng)技術(shù)成熟了，我們驗(yàn)證的效果也將變得實(shí)用。”
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