新型单光子源技术将显著推进量子通信和计算

光子盒研究院

一个由芬兰和德国物理学家组成的合作团队取得了一项突破性发现，该发现将极大地推动量子技术的发展，尤其是在量子密码学和量子计算领域。

在量子技术领域，生成和操纵单个基本电磁场成分（即光子）的能力至关重要。例如，量子密码学基于这样一个基本原理，即在不改变光子的情况下不可能观察到光子的状态，这意味着窃听者截获携带信息的光子很容易被检测到。
然而，当产生两个量子态相同的光子时，难题就出现了。通过截获其中一个光子，窃听者可以获得另一个光子携带的信息，从而危及通信的安全性。
该领域目前面临的问题是如何产生独一无二的单光子，因为它们携带的能量非常小，克服这一挑战并产生单光子是一项复杂而艰巨的科学和工程任务。
迄今为止，科学家已经成功地产生了单光子，例如，用激光束照射某些材料晶格中的缺陷，但这些粒子能量太高，无法实际使用：研究人员需要产生能量较低的光子，它们对应于电磁波谱中较长的波长。
在最近发表在《先进量子技术》（Advanced Quantum Technologies）上的一项研究中，研究小组提出了一种在更适合电信的能量范围内产生单光子的方法，这也将使现有的通信基础设施能够用于量子加密。
科学家们在研究报告中写道：“电信光谱窗口中的发射波长特别令人感兴趣，因为它们在光纤中对光子的吸收和色散最小。利用（特定）激光脉冲，（量子密码学）协议的实验实施已在数百公里长的光纤中取得成功。”
然而，使用微弱的激光脉冲可能会产生多个相同的光子，这可能会被用于窃听，因此有必要制定更加复杂的安全协议。
因此，科学家们采取了一种突破常规的方法，利用锑化镓量子点产生低能量单光子。
量子点最近获得了诺贝尔化学奖，它是一种纳米尺寸的半导体晶体，其独特的导电特性取决于其尺寸。研究中使用的镓基量子点半径为12纳米，由于微妙的量子力学效应，它们具有重要的光学和物理特性。
锑化镓中的电子具有发射电磁波的特殊性质，根据这一特性，物理学家们假设，用锑化镓制成的量子点可以成为单个低能光子的绝佳来源。
他们用红外激光照射量子点的实验证明是成功的，并产生了相同量子态的单光子，其波长与电信范围一致。“非经典光源是量子通信应用以及光子量子计算的主要组成部分。与其他一些物理系统相比，如金刚石中的空位中心和捕获原子，它们可以提供单光子，量子点则具有优越的光学特性，如低多光子贡献和高不可分辨性。”

样品设计和层结构。a) 层序的详细示意图。使用GaSb基底和缓冲器，然后是50 nm的AlAsSb。液滴在100 nm的Al0.3Ga0.7Sb层上蚀刻孔洞，然后用GaSb填充，接着是与第一层厚度相同的Al0.3Ga0.7Sb层。b) 简化的样品艺术视图，包括形成QD的填充纳米孔，周围是量子阱（QW）区域。在整个样品上放置了一个固体浸透透镜，以提高发射光子的收集效率（描绘为明亮的光束）。激光被绘制成红色高斯形状的光束。

用于表征QD电荷复合体的微光致发光。

电荷注入QD和QD中激子衰减的时间演变。
参考链接：[1]https://www.advancedsciencenews.com/revolutionizing-quantum-technologies-with-photons-made-from-quantum-dots/[2]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qute.202300180?__cf_chl_tk=mO_UIXVrxcQmwdSd6T3mt2I_CtwwM1hT4EYIru_9Ruw-1699237551-0-gaNycGzNExA

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