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科学家发明全息原子存储器按需产生大光子群

简介:

华沙大学物理系的物理学家发明并制造的全息原子存储器是第一种能够以每组数十个或以上的数目来按需产生单光子的器件。这个已经成功地经过实践证明的器件,克服了在构造某些类型的量子计算机时所遇到的根本障碍之一。

完全安全的高速量子通信,甚至是量子计算机的模型是波兰华沙大学物理系(UW Physics)最近制造的新型单光子源的可能应用之一。这种新器件的一个前所未有的特点是,它第一次使我们能够按需产生精确控制的光子群。

“与现有的解决方案和想法相比,我们的器件效率更高,并可以进行更大规模的集成。在功能上,我们甚至可以认为它是第一个小的工作在单光子下的等效‘集成电路’,”华沙大学物理系的Wojciech Wasilewski博士说,他是发表在科学期刊《物理评论快报》上的一篇文章的作者之一。


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该系统中产生光子的核心部分是一个充满热气体蒸气的玻璃小单元。用激光照射这个小单元会导致其发出波长处于红外光谱范围内的光子。

第一个单光子源在20世纪70年代就已经被发明出来了,但是现有的许多类型的单光子源仍然有许多缺点,尽管如此,单光子仍然可以成功地应用于可以保证完全保密的量子通信协议中。然而,为了能够执行复杂的量子计算,我们需要整个的光子群。

产生光子群最简单的方法是使用足够多的光源。今天应用最广泛的设备利用了自发参量下转换(SPDC)现象。在一定的条件下,由激光产生的光子可以分裂成两个新的,每个只有一半能量的光子,这两个光子的其他属性由能量守恒和动量守恒来决定。因此,当我们记录这一对光子中的某一个光子的信息时,我们也就可以了解到另一个光子的存在和性质,而另一个光子不会受到观察的干扰,因此非常适合于量子操作。不幸的是,每一个光参量下转换光源产生单光子的过程都非常缓慢而且完全随机。因此,即使我们只想要10个光源同步发射,我们可能也需要等待几年的时间。

2013年,来自牛津大学和伦敦大学的一组物理学家提出了一个更有效的产生光子群的协议。该想法是在每个光源上放置一个量子存储器,其能够存储发射的光子。存储在存储器中的光子可以同时释放。计算结果表明,等待一个包含10个光子的光子群所需要的时间尺度将被缩短令人惊讶的十个数量级:从数年缩小到几个微秒!

现在这个由华沙大学的物理学家推出的光源是这个概念的第一个实际样例,也是一个集成度更高的样例:在这里,所有的光子都随着只持续几个微秒的激光脉冲的照射而在量子存储器内立即产生。在这里,外部单光子源已经不再需要,而所需的量子存储器的数目也已经减少到了只有一个。

“我们的整个实验装置占用了我们光学平台大约两平方米的表面。但是最重要的事情发生在存储器本身,在一个长约10厘米直径约为2.5厘米的玻璃圆柱体内。大家可能会以为在这个圆柱体内有着像半导体集成电路一样复杂的设计,但大家可能会大失所望:这个圆柱形的小腔体内只是充满了60到80摄氏度的87Rb铷原子对,”华沙大学物理系博士生Michal Dabrowski介绍。

这个在波兰国家科学研究中心PRELUDIUM和SONATA项目资助以及华沙大学PhoQuS项目的资源支持下制造的新型存储器是一个空间多模的存储器:单个光子可以在圆柱体内的不同区域进行放置,储存,处理和阅读,就像是一个个独立的存储抽屉。写操作由一个激光束完成,通过以原子激发的形式保持一个特定的空间模型——全息图——来实现。用激光照射该系统使我们能够重建全息图并读出记忆的内容。

在已经进行的实验中,这个新的光源产生了一组多达60个光子的光子群。计算表明,在现实条件下,使用更高功率的激光器将有助于增加这个数字,甚至可以多达几千个。(这个实验的数据分析所涉及的计算是如此的复杂,以致于它们需要用到PL网格基础设施的53000个网格核心的计算能力)。

由于噪声,损耗和其他寄生过程,华沙大学物理系开发的这个量子存储器可以将光子存储几个到几十个微秒的时间,这对于人类来说似乎是一个很短的时间。然而,有一些系统可以在纳秒的时间尺度上对光子进行简单的操作。在新的量子存储器中,原则上我们可以在每个光子上执行几百次操作,这对于量子通信和信息处理来说已经足够。

拥有这样一个大光子群的工作光源,使得我们朝着制造一类量子计算机迈进了重要一步,能够比最好的现代计算机使用短得多的时间来执行某些计算。几年前就已经证明,通过在光子上执行简单的线性光学操作,我们可以提高量子计算的速度。这些计算的复杂度取决于同时处理的光子数目。然而,缺少产生大光子群的光源阻碍了线性量子计算机扩展其应用范围的能力,使得它们只能局限于初等数学的运算。

除了量子计算,光子“集成电路”也有可能用于量子通信上。目前,这涉及到使用光纤来发送单光子。新的光源将使得许多光子同时进入光纤成为可能,因此可以增加量子通道的容量。

本文转自d1net(转载)

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