基于光子晶体谐振器的单光子铒发射源构建量子网络

据麦姆斯咨询报道，近期，德国研究人员研发出一种新型光子晶体谐振器，他们认为这种谐振器非常适合构建量子网络。

光子晶体谐振器

位于德国加尔兴（Garching）的马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）和慕尼黑工业大学（TUM）合作制造了掺铒硅晶体，并发现利用它可以发射波长为1536 nm的单光子。

单光子发射源被视为量子加密光网络的关键组件，因为如果链路被拦截，光子的物理特性总是会被改变——因此任何对链路的黑客攻击都会让数据变得无法使用。

单光子发射源还可以用于未来的量子网络，从而实现多个量子计算机之间的计算。

这项研发是在同一团队早期工作的基础上进行的，该团队使用500℃的相对较低温度将单个铒原子嵌入晶体硅中，以确保大量铒原子不会在硅晶格中聚集在一起。

Andreas Reiserer及其同事在《Optica》期刊上详细介绍了最新的实验结果，他们在论文中写道，尽管硅中单个铒掺杂剂在量子网络方面的前景此前已被认可，但其与光子晶体谐振器的集成此前尚未得到证实。

“我们现在已经证明，可以解析硅中的单个铒掺杂剂，并且可以使用纳米光子谐振器增强它们的发射。”该团队在总结中表示，“这为长距离量子网络的实施提供了巨大的希望。”

结合已知的实现量子纠缠的方法，该团队相信最新进展将使硅中的铒掺杂剂成为大规模量子计算和通信网络的主要候选者。

在马克斯·普朗克量子光学研究所的一份新闻稿中，Andreas Reiserer和同事解释说，他们的掺铒谐振器与传统设计不同，因为它没有任何反射镜。

使用晶体硅中规则的纳米级孔图案代替反射镜。这意味着整个谐振器的长度只有几微米，并且只包含几十个铒原子。

然后将该纳米光子结构耦合到光纤，以允许对钍原子进行激光激发。该团队的Andreas Gritsch解释说：“通过这种方式，我们能够实现具有所需特性的单个光子发射。”

Andreas Reiserer评论道：“事实上，这在晶体硅中是可能的，这为实现量子网络提供了额外的机会，因为这种材料几十年来一直用于生产经典的半导体器件。这意味着对于量子技术应用，例如量子网络的构建，也可以生产高质量和高纯度的硅晶体。”

新设计的另一个优点是，它不仅可以在绝对零度时工作，而且可以在相对较高的温度下（至少在量子世界中）8 K下工作。

“不同的温度在实践中产生了很大的不同。”Andreas Reiserer说，“因为这样的温度在技术上很容易通过在低温恒温器中用液氦冷却来实现。”

该特性预计将有助于为纳米光子系统的实际应用铺平道路。该团队预计，处理敏感个人数据或机密信息的金融机构、医疗机构或政府机构会对此感兴趣。

该团队还解释说：“虽然今天即使是最好的加密也不能保证完全的安全，但是量子网络将提供完美的数据保护：一旦窃听者试图拦截准备好的光子传输的信息，其量子特性就会丢失，数据就会变得无法使用。”

审核编辑：刘清