愛荷華大學的研究人員發現了一種“純化”光子的新方法，這一發展可以通過改進產生單粒子光的方法來提高基於光的量子技術的效率和安全性，該方法旨在克服光學量子系統中長期存在的限制。
該團隊專注於兩個導致難以創建可靠的單光子流的關鍵障礙。這對於量子光子計算機和安全通信網絡至關重要。
其中一項挑戰稱為激光散射。當激光照射在原子上以刺激光子釋放時。這個過程還會產生額外的、不需要的光子。這些額外的粒子就像光路中的干擾一樣。這會降低效率，就像漏電流破壞正常電路一樣。
第二個問題源於原子有時如何響應激光。在極少數情況下，原子一次發射多個光子。當這種情況發生時，量子運算所需的精確順序就會崩潰。這是因為額外的光子一一擾亂了預期的流動。
使用激光干涉來消除不需要的光
在這項新研究中，物理與天文學系的研究生馬修·尼爾森發現了這兩個問題之間意想不到的聯繫。他發現，當一個原子發射幾個光子時，所產生的波長譜和波形與激光的光譜非常匹配。
研究人員表示，這種相似性意味著可以仔細調整這兩個信號以相互抵消。因此，通常有問題的激光散射可以用來抑制不需要的光子的釋放。
物理與天文學系助理教授、該研究的通訊作者Ravitej Uppu表示：“我們已經證明，通常被認為是令人討厭的雜散激光散射是可以控制的，以取消不需要的光子的釋放。”這一理論進展可以將一個長期存在的問題轉變為發展量子技術的強大新工具。
為什麼單光子對於量子計算機很重要？
光子計算依靠光而不是電來執行計算。這將創建一個更快、更高效的系統。傳統計算機使用比特——代表 1 或 0 的電或光脈衝流來工作。量子計算機使用量子位。它們通常是亞原子粒子，例如光子。
許多新興技術公司相信光子平台將在量子計算的未來中發揮關鍵作用。穩定且良好控制的單光子流是使視覺變得實用的關鍵。
有序的光子流很容易操縱和擴展。它還有助於提高安全性。研究人員將其比作學生在自助餐廳裡一排一排地排隊。相反，讓他們成群結隊地移動。同樣，單個有序的光子線可以降低信息被攔截或聽到的風險。
精確控制更清潔的光子流
烏普解釋說，仔細控制激光束是新方法的關鍵。 “如果我們能夠精確控制激光束撞擊原子的方式和發射角度，你就可以讓它消除原子喜歡發射的所有額外光子，”他說。 “我們留下了一條非常純淨的溪流。”
從理論上講，這項工作表明可以同時克服更快光子電路的兩個關鍵障礙。如果通過實驗證實該技術可以幫助加速先進量子計算機和更安全的通信系統的開發。研究人員計劃在未來的實驗中測試這個想法。
教育和資助詳情
“單光子源的噪聲淨化”的研究發表在該雜誌上。 量子光學–
該研究的資金來自美國國防部研究與工程部長辦公室。愛荷華大學研究副校長辦公室提供了額外的支持。通過 P3 項目，幫助啟動了該項目。
