新的异常明亮光子让量子通信“牢不可破”更近现实

科学家们创造了一种“异常明亮”的光源，它能够生成量子纠缠光子（即光的粒子），可用于在未来的高速量子通信网络中安全地传输数据。

未来的量子互联网能够利用成对的纠缠光子来传输信息——这意味着，不管距离远近，这些粒子都会随着时间和空间来共享信息。

依据量子力学的奇异定律，编码到这些纠缠光子中的信息可以高速传输，而它们的“量子相干性”——即粒子处于纠缠的状态——能够确保数据不会被拦截。

但是，构建量子互联网的关键挑战之一在于，这些光子的强度会随着传播距离的增加而减弱，也就是说光源不够亮。

要构建一个能够在远距离传输数据的成功的量子互联网，光子必须足够强，以防止“退相干”——也就是失去纠缠，并且导致它们所包含的信息消失。

在 7 月 24 日发表于《eLight》杂志的一项研究里，来自欧洲、亚洲和南美洲的科学家利用现有技术创造了一种新型量子信号源，它的亮度极高。

他们通过将光子点发射体（单光子或光粒子的发生器）与量子谐振器（一种增强量子特征的装置）相结合，创造出强大的新量子信号，以此实现了这一目标。

最近的研究之所以特别有趣，在于这些单独的技术已经在实验室中分别获得了独立验证，但它们之前只是分别进行了测试。这项研究是它们首次被联合使用。

研究人员将光子点发射器与圆形布拉格谐振器（一种用于引导电磁波的反射器）结合在压电致动器（一种在施加热量或应力时发电的装置）上。它们共同创造了一种增强型的光子发射器，能够对发射的光子进行微调，以实现最大程度的极化纠缠。这是通过使用压电致动器进行控制的。

该设备产生的光子对具有高纠缠保真度和提取效率——这意味着每个光子都足够明亮，能够发挥作用，并且很好地保持了其“量子特征”（一种有用的量子特性）。以前，很难同时实现有用的亮度水平和高的纠缠保真度，因为每个方面都需要不同的技术，并且这些技术难以以可扩展的方式结合。

这是开发实用量子技术进程中的重大进步，展示了它们如何相互结合从而创造出更强大且可行的光源。

不幸的是，我们别指望很快就能有量子互联网，因为各项技术仍处于实验和开发阶段。用于研究的光子发射器的制造还需要有毒的原材料，比如砷，这得进行专业处理。光子点发射器所用到的砷化镓在使用上也存在安全问题。费希尔科学，一家为科学研究供应实验室设备和化学品的供应商，指出砷化镓因多种原因是危险的，其中包括其致癌特性。

使用这些材料所涉及的安全问题可能会限制所阐述方法的可扩展性。

所以，在为未来的量子通信网络生成明亮且纠缠的光子时，或许需要确定可行的替代材料。

开发过程的下一个阶段将会是在压电致动器上集成一个类似于二极管的结构。

这将能够在量子点上产生电场，用以抵消退相干，进而提高纠缠程度。

科学家们表示，尽管在开发量子互联网方面还有许多需要采取的进一步步骤，但成功地将光子发射器与共振器相结合，从而实现具有高亮度和纠缠特性的光子，仍然是迈出的重要一步。