▲研究人員在芯片上配置硅環，以發射應用於量子信息處理的高質量光子。
人類已知的最小光量是一個光子，雖然它微弱得幾乎肉眼不可見、處於人的感知範圍之外，但是這些微小的能量粒子在傳輸量子信息方面卻可能大有作為。理想情況下，每顆充當“量子信使”的粒子都應該是一樣的，然而，之前一直沒有一種直接的手段可以產生具有相同光子的粒子流，並且當使用人造芯片來生成單個光子時，讓光子保持一致尤其具有挑戰性。
最近，由美國馬里蘭大學（UMD）物理系、國家標準與技術研究所（NIST）和物理科學實驗室（LPS）共同組建的美國聯合量子研究所（Joint Quantum Institute, 簡稱JQI）的研究人員發現了一種新的方法，能讓不同的設備持續發射幾乎一樣的單個光子。由JQI研究員穆哈默德·哈菲茲（Mohammad Hafezi）領導的研究小組製造了一種硅芯片，它可以引導光線沿著設備的邊緣遊走，而在這條線路中，光子天生就能避免受到干擾。早前，哈菲茲的團隊已經證明這種設計可以降低光信號衰減的可能性。據《自然》（Nature）雜誌網絡版9月10日刊發的一篇研究論文稱，該研究小組闡釋了在保護沿芯片邊緣遊走的光線的同時，該裝置的物理過程還可以確保穩定可靠的單個光子生成量。
該研究論文的作者之一、美國陸軍研究實驗室（US Army Research Laboratory）研究員伊麗莎白·戈德施密特（Elizabeth Goldschmidt）介紹道：“我們在日常生活中遇到的幾乎所有光線都充滿了光子，但是與燈泡不同的是，有一些光源能夠每次只發射一個光子，而這隻能用量子物理學來解釋和描述。”許多研究人員都正在致力於打造穩定可靠的量子光發射器，以便他們能夠將單個光子的量子特性分離出來並加以控制。戈德施密特指出，研究這樣的光源或許對於未來的量子信息設備以及進一步理解量子物理學的奧秘都是意義非凡的。她解釋道：“現代通信手段在很大程度上依賴於非量子光，同理，我們之中的很多人都認為，對於任何量子通信的應用而言，生成單個光子都是必需的。”
科學家們可以利用一種自然的變色過程來生成量子光，而這種變色過程發生在光束穿過特定材質時。在這次實驗中，研究小組選擇使用硅——一種在工業上常見的導光材料——將紅外激光轉換成不同顏色的成對單個光子。該研究論文的第一作者、JQI博士後研究員蘇尼爾·米塔爾（Sunil Mittal）回顧道：“我們最初的考慮是，我們需要在設計上更加小心，因為光子針對我們的芯片的製造過程有更加敏感的反應和表現。但是令人驚訝的是，無論芯片的質量有多糟糕，在芯片被屏蔽的邊緣通道中產生的光子幾乎總是完全相同的。”
米塔爾指出，這個裝置與其他的單光子源相比，還有一個額外的優勢。她說：“我們的芯片能在正常室溫下工作。我不需要像使用其他量子光源時那樣把它冷卻到超低溫，從而讓它的運行設置變得相對簡單。”研究小組稱，這一發現將為該量子光研究開闢一條新的路徑，引領將量子光與具有內置保護功能的光子器件相結合的研究方向。米塔爾展望道：“物理學家們最近才意識到（該芯片邊緣）被屏蔽的（導光）路徑從根本上改變了光子與物質發生相互作用的方式，而這可能會對許多以光-物質相互作用為核心的應用領域產生潛在的影響，比如量子信息科學和光電子技術。”
編譯：朱明逸
審稿：alone
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=wechat
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