科研团队在量子通信领域取得突破，成功生成 90%相似度的光子对

巴塞尔、鲁尔及帕德博恩大学的研究人员联手在量子通信领域取得重大突破，成功生成 90%相同的光子对。这些几乎无法区分的粒子可用于实现量子纠缠或干涉，这些现象对量子通信至关重要。对量子物理的理解为计算和传感开拓了新领域。科学家们正使用不同的材料在量子层面存储和处理信息，并采用多种方法，包括捕获离子、中性原子、超导电路及光子作为量子比特或 qubit。光子是最容易操作的信息载体之一。

然而，为了在量子通信中使用它们，必须具备完全相同的特性或相互之间必须是“不可区分”的。先前生成这些光子的尝试成功有限，因为光子要么聚焦不良，要么仅暂时相关。

突破性的光子生成技术

来自巴塞尔、鲁尔及帕德博恩的研究人员的联合努力通过半导体量子点解决了这一障碍。研究人员使用带有光学共振腔的半导体量子点，利用一种称为“双激子衰变”的过程生成几乎无法区分的光子。在此过程中，由两个束缚激子组成的分子衰变，并释放出一个激子和一个光子。“量子点通常被描述为半导体中的人工原子，可以生成单个光子，”帕德博恩大学功能光子结构教授斯特凡·舒马赫解释道。“通过将其整合到专门的光学腔中——类似于激光中的腔体——此次研究特别加速和控制了光的发射过程。”

激子由一个电子和一个电子空穴组成，在此过程中，量子点被双重激发，随后激发衰变。因此，双激子级联生成两个光子，一个接一个。更重要的是，光子对可以在按下按钮的瞬间生成，这对于新时代技术的部署十分有用。

光子纯度的优化方法

研究团队进一步研究了量子点与光学腔的相互作用，该研究由巴塞尔大学实验凝聚态物理学教授理查德·沃伯顿进行。虽然这项工作帮助在各个领域取得突破性进展，但联合研究团队利用双激子衰变的科学，使其衰变以可控的方式进行。这帮助研究人员实现了 90%的不可区分性，这比之前实现的 60%有所提高。更高的光子不可区分性意味着数据处理中的错误更少。“结果与理论预测的卓越一致，为生成具有更高不可区分性的光子指明了方向，”沃伯顿在一份新闻稿中补充道。

“他们证明了双激子衰变可以产生非常高质量的光子——前提是系统在使用腔体的情况下得到妥善控制。”

帕德博恩大学混合量子光子器件负责人克劳斯·容斯表示：“我们发现生成的光子的纯度也可以通过共振腔进行优化，仅受半导体晶格中的振动（声子）限制。这一现象称为‘腔体喂养’，必须在未来的设计中予以考虑，并且可以系统性地进一步最小化。”这项研究结果已发表在《物理评论应用》期刊上。

新技术如何推动量子通信发展

这项研究显示了半导体量子点在量子通信中的潜力，特别是通过双激子衰变来生成高质量光子。随着光子不可区分性的提高，这将有助于提升量子通信的可靠性，并减少数据处理中的错误。研究团队的成果不仅推动了量子通信技术的发展，还可能影响未来的量子计算和传感技术，因为这些领域都依赖于高效的量子比特操作。