科學(xué)家最新研究朝實(shí)現(xiàn)光量子通訊邁進(jìn)一步

據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2月14日（北京時(shí)間）報(bào)道，科學(xué)家一直希望用光子代替電子實(shí)現(xiàn)更快捷安全的光通訊，現(xiàn)在，科學(xué)家們成功證明，他們能更快速地（在幾納秒內(nèi)）控制與目前光通訊網(wǎng)絡(luò)中所用光波波長(zhǎng)一樣的光子的路徑和偏振，新光子電路可整合進(jìn)現(xiàn)有的光通訊網(wǎng)絡(luò)中，從而顯著改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能。最新研究朝實(shí)現(xiàn)光量子通訊邁進(jìn)了一步。

英國(guó)布里斯托大學(xué)、赫瑞瓦特大學(xué)、荷蘭卡弗里納米科學(xué)研究所的科學(xué)家們將這項(xiàng)快速控制單光子的路徑和偏振的研究發(fā)表在最新一期《物理評(píng)論學(xué)快報(bào)》雜志上。

他們?cè)趯?duì)一個(gè)由電路組成的量子光學(xué)設(shè)備進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)光子會(huì)移動(dòng)穿過(guò)這些電路，這些電路也能被重新配置從而改變光子的路徑和偏振方向。然而，這種量子光學(xué)電路無(wú)法快速操縱單光子和多光子的狀態(tài)。為了解決這一問(wèn)題，他們使用了已被證明能在現(xiàn)有通訊調(diào)制器中進(jìn)行快速操縱的鈮酸鋰波導(dǎo)，并證明對(duì)電極附近的波導(dǎo)施加電壓能快速操控由波長(zhǎng)為1550納米的一個(gè)或兩個(gè)光子組成的光的量子（包括路徑和偏振）狀態(tài)，該波長(zhǎng)正是現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)中采用的波長(zhǎng)。

領(lǐng)導(dǎo)該研究的布里斯托大學(xué)的達(dá)米恩·博諾表示：“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們演示了兩種電路配置，每種電路配置都會(huì)導(dǎo)致不同的量子狀態(tài)，一次配置僅需幾納秒，而在以前的實(shí)驗(yàn)中，每幾秒才能對(duì)電路進(jìn)行一次重新配置。現(xiàn)在的通訊網(wǎng)每天都在使用由同樣技術(shù)制成的開(kāi)關(guān)來(lái)傳遞由光脈沖編碼的信息字節(jié)，從原理上來(lái)講，這樣的開(kāi)關(guān)也能用于單光子層面。”

博諾表示：“迄今為止，在芯片上操縱光的量子狀態(tài)一直依靠加熱器，其能作為慢速移相器來(lái)使用。最新研究表明，鈮酸鋰波導(dǎo)能采用一種與以前迥然不同的方法來(lái)更快速地操控光的量子狀態(tài)?，F(xiàn)在，我們不僅能打開(kāi)和關(guān)閉光包以便按規(guī)定路線發(fā)送傳統(tǒng)信息，也能夠快速處理和操縱光的量子狀態(tài)。”

科學(xué)家們指出，能在單個(gè)平臺(tái)上快速控制單光子的偏振和路徑對(duì)基礎(chǔ)量子科學(xué)和量子技術(shù)來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。博諾表示，制造這些設(shè)備的鈮酸鋰材料也能隨機(jī)產(chǎn)生光子，另外，具有超導(dǎo)性的單光子探測(cè)器也能被整合在這樣的芯片上。一個(gè)結(jié)合了能隨機(jī)產(chǎn)生光子的光源、電路以及探測(cè)器的技術(shù)平臺(tái)可用于以下幾方面：通過(guò)對(duì)幾個(gè)光子來(lái)源進(jìn)行多路傳輸從而獲得可靠的單光子源、長(zhǎng)距離量子通訊需要使用的量子繼電器、量子密碼學(xué)中用到的量子密鑰分配等。

以前有些老式收音機(jī)使用電子管，每次工作前都要預(yù)熱。隨著半導(dǎo)體管的應(yīng)用，預(yù)熱時(shí)間就被節(jié)省下來(lái)了。如今，光量子調(diào)制設(shè)備領(lǐng)域也出現(xiàn)了類似的進(jìn)步以前用加熱器，幾秒鐘才能重新配置電路，現(xiàn)在幾納秒就可以切換到另一個(gè)電路。使用鈮酸鋰材料作波導(dǎo)設(shè)備，在調(diào)制解調(diào)器時(shí)代是很平常的技術(shù)手段。但誰(shuí)能想到，平平無(wú)奇的光電轉(zhuǎn)化設(shè)備稍加變化，可以幫助最前沿的光量子通信研究取得突破？現(xiàn)在隨著光源、電路和探測(cè)器整合到一起，量子通信研究者的工作量可以減輕不少了。