世界上最有效的单光子源使用时间复用创建

KWIAT实验室物理学实验室实验室的实验设置。

在过去的二十年中，量子信息科学领域取得了巨大进步。科学家正在利用量子力学的奇怪性质来解决计算和通信中的难题，以及传感和测量精细系统。该领域的一个研究途径是光学量子信息处理，它使用具有独特量子特性的光子微小的光颗粒。

在量子信息科学中推进研究的关键资源是可以有效可靠地生产单个光子的源。然而，因为量子过程本质上是随机的，所以创建产生单个光子的光子源，按需在每一步时都存在挑战。

现在伊利诺伊大学物理学教授Paul Kwiat教授和他的前博士后研究员Fumihiro Kaneda（现在是Tohoku大学的跨学科科学研究所的助理教授）建立了Kwiat认为是“世界上最有效的单光子来源”。他们仍在改善它。通过计划升级，该装置可以在前所未有的效率下产生30个光子的向上。该口径的来源正是光学量子信息应用所需的内容。

物理教授Paul Kwiat of伊利诺伊州厄巴纳·普朗杰纳。

研究人员目前的调查结果于2019年10月4日在线上市。

KWIAT解释说：“光子是最小的光线：爱因斯坦在1905年引入了这一概念，标志着量子力学的曙光。如今，光子是量子计算和通信中的建议资源 - 其独特的属性使其成为一种优秀的候选者作为量子位或Qubit。“

“光子在日常生活的普通温度下快速地移动量子态的长距离传输，并表现出普通温度的量子现象，”kaneda增加。“其他有希望的困难和超导电流的额外候选者，在隔离和极冷的条件下仅稳定。因此，按需单光子源的开发对于实现量子网络至关重要，并且可能使小型室温量子处理器能够。“

迄今为止，有用的预示单光子的最大发电效率非常低。

为什么？量子光学研究人员经常使用称为自发参数的非线性光学效应（SPDC）来产生光子对。在设计的晶体中，在包含数十亿光子的激光脉冲内，可以将单个高能量光子分成一对低能量光子。生产光子对至关重要：检测到的两个中的一个 - 这会破坏它 - 到“先驱”存在另一个，光子源的单光子输出。

但是使得从一个到两个光子的量子转换是发生的，这是针对所有可能性的。

“SPDC是一个量子过程，它不确定源是否会产生什么，或者一对或两对，”Kwiat Notes。“产生恰好一对单个光子的可能性至多25％。”

物理教授Fumihiro Kaneda在东北大学跨学科科学研究所。Kaneda是伊利诺伊州伊利诺伊大学物理系Kwiat集团前任博士后研究员。

物理教授Fumihiro Kaneda在东北大学跨学科科学研究所。Kaneda是伊利诺伊州伊利诺伊大学物理系Kwiat集团前任博士后研究员。

KWIAT和Kaneda使用称为时间复用的技术在SPDC中解决了该低效问题。对于每次运行，SPDC源以相等的间隔脉冲40次，产生40“时间箱”，每个可能包含一对光子（尽管很少是这种情况）。每次产生光子对时，该对的一个光子触发了光学开关，该光学开关将姐妹光子路由到光学延迟线中的临时存储器 - 用镜子创建的闭环。通过了解光子何时进入环路（当检测到触发光子时），研究人员确切地知道在将光子切换出来之前持有多少个周期。以这种方式，无论哪个40个脉冲中的哪一个，都可以同时释放存储的光子。一旦发生了所有40个脉冲，任何存储的光子都会释放在一起，好像它们来自同一时间箱。

kwiat评论，“映射一堆不同的可能性，所有不同的时间箱，一个 - 它大大提高了你能看到一些东西的可能性。”

脉冲源40次基本上保证为每个运行产生至少一个光子对。

更重要的是，光子存储在延迟线中的损耗率仅为每循环的1.2％;因为源脉冲多次，所以具有低损耗率至关重要。否则，在前几个脉冲中产生的光子很容易丢失。

当光子最终释放时，它们以高效率耦合到单模光纤中。这是光子需要在量子信息应用中有用的状态。

KWIAT指出，以这种方式产生光子的效率增加显着。例如，如果应用于12-光子源的应用程序，则可以将六个独立的SPDC源排列并等待当它们中的每一个同时产生单对时的事件。

“世界上使用这些多个光子州的世界上最好的竞争实验必须等到两分钟，直到他们得到一个这样的事件，”Kwiat笔记。“它们的次数为80亿次 - 他们慢慢​​地尝试非常常见，但它每两分钟只有一次，他们得到了这个事件，其中每个源都产生了一个光子对。

“我们可以根据我们的利率计算我们能够生产类似的东西的可能性。我们实际上驾驶了很慢，所以我们只能尝试每2微秒 - 他们经常尝试160次 - 但是由于我们的效率是如此高度使用多路复用，我们实际上是可以的每秒生产4,000 12光子事件的东西。“

换句话说，KWIAT和Kaneda的生产率速度速度速度速度约为500万。

但是，随着KWIAT的说明，一些问题仍有待解决。一个问题源于下转换过程的随机性质：有机会代替单个光子对，可以生产多个光子对。此外，由于该实验中使用的下转换过程比较低效率，所以源以更高的速率“驱动”，因此增加了这种不需要的多对的概率。

甚至占潜在的多光子事件，这个实验的效率水平是世界纪录。

所以接下来是什么，KWIAT团队将如何解决这些罕见的不需要的多光子活动？

Colin Lualdi是一家在KWIAT的研究组工作的当前研究生，正在努力升级使用光子号码解析探测器来升级，在触发延迟线以存储它们之前会丢弃MultiPhoton事件。这种改进将完全消除MultiÅonon事件的问题。

持续研究KWIAT团队的另一个领域将提高单光子源设备的近距离部分的效率。Lualdi认为未来的改进将推动单光子生产的速度远远超出当前实验。

“最终目标是能够准备单个纯量子状态，我们可以用来以超越经典方法的方式编码和处理信息，”Lualdi解释说。“这就是为什么这些来源产生单一的光子。如果源意外地生成两个光子而不是一个，那么我们没有我们需要的基本构建块。“

为了能够用这些光子Qubits执行任何类型的有意义的量子信息处理，需要大量的电源。

随着KWIAT所说，“该领域正在超越仅仅是一个或两个光子的实验。人们现在正在尝试在10到12光子上进行实验，最终我们希望有50到100个照片。“

KWIAT推断出对这项工作所做的改进可以铺平朝向高效率产生30多个光子的能力。KWIAT和Kaneda的结果让我们更接近制作光学量子信息处理现实的一步。

参考：“通过大规模主动时间复用的高效单光子生成”由F.Kaneda和P. G. Kwiat，2019年10月4日，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.aaw8586.