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研究人员在微米级设备中纠缠了一对原子级光发射器 这可能对量子通信和密码学有用

为了使量子信息技术(如量子加密技术)变得切实可行,它们需要用小型化设备来实现。量子纠缠是这些技术的关键成分,研究团队现在已经展示了一种基于芯片的结构,可以可靠地在晶体中的一对光子发射位点之间产生纠缠。这种设备可以用于长距离光量子通信网络和量子计算电路。

量子纠缠,其中两个或多个物体具有相互依赖的量子态,是量子信息处理的核心。原则上,如果一对量子尺度物体可以发射相同的光子,则它们可以被纠缠。如果不可能分辨出哪一对是检测到的光子的来源,那么发射器就会纠缠在一起。但是,利用小型化设备制造产生相同光子的量子发射器是困难的,因为微观结构中的小的,不可控制的变化可以改变发射频率。量子发射器通常需要单独“调谐”以补偿这种变化。

当晶格中的两个相邻碳原子被单个硅原子(称为硅空位,或SiV,中心)取代时,可以在金刚石晶体内产生一种有希望的类型的发射体。如果受到光子吸收的激发,SiV中心将发出红色光子。然而,通常,来自金刚石晶体中的多个SiV中心的发射跨越一系列波长,因为每个硅原子的环境与其他硅原子的环境略有不同。

哈佛大学和他的同事的马尔科隆查尔已通过在其附近金刚石晶格变形以前曾表明,发射波长可以为单个SIV中心被调整[ 1,2 ]。哈佛团队现在将这种“应变调整”原理应用于同一金刚石微结构内的两个独立的SiV中心。该技术使两个发射波长一致,使得两个光源发射的光子难以区分。在新的装置中,SIV中心坐金刚石几十微米的水平杆或梁内,(μ 米 )长,约1 μ 米 宽,从两端的支撑悬挂。沉积在梁的一端和其下方的基板上的金电极可以通过施加电压来充电,使得它们彼此吸引,使梁略微弯曲。

研究人员使用微光刻方法植入硅原子,在金刚石梁的特定位置形成SiV中心。这些他们然后兴奋2,约30 μ 米 另外,使用从设备上方传送的激光。钻石束捕获由激发的SiV中心发射的光子并将它们引导到光纤中进行检测。

随着研究人员调整电极之间的电压,最近的SiV中心的发射波长变化平稳。但是第二个中心经历了很小的弯曲,因此它的发射波长保持不变。在一定电压下,两个波长基本相同,因此发射的SiV中心可能会缠绕在一起。

为了检测这种纠缠,“我们利用这样一个事实:纠缠态产生光子的速度比你对具有两个独立激发原子的系统所期望的要快,这种现象称为超辐射,”哈佛大学研究生Bart Machielse解释道。“这意味着我们可以通过观察在得到第一个光子之后得到第二个光子的速率来间接探测纠缠态的产生。”

研究人员表示,他们的结构可以作为量子中继器的一个组成部分,这是一种允许光子信号长距离传输的系统。中继器使用一系列中间纠缠对,以允许缠绕广泛分离的量子物体。

德国萨尔大学的量子光学专家Christoph Becher说:“这是一项非常重要的成就,因为它可以让两个SiV中心产生并保持共振”,这是制造量子比特(量子比特)的理想选择。虽然固态发射器的应变调整不是一个新的想法,但这项工作显示了第一次应用于纠缠,他说。

Lončar说,原则上同样的方法也适用于两个以上的光子,尽管Becher警告说,这种量子光学技术的愿景需要更多的工程工作。Lončar仍然喜欢思考。他说:“我的梦想是在同一芯片上安装100个量子比特阵列,每个阵列都有一个独立控制的光束。” “然后我们按下一个按钮,每个光束都会偏转到足以使它们产生共振。这将是惊人的。”

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