科研團隊在量子通信領域取得突破，成功生成 90%相似度的光子對

巴塞爾、魯爾及帕德博恩大學的研究人員聯手在量子通信領域取得重大突破，成功生成 90%相同的光子對。這些幾乎無法區分的粒子可用於實現量子糾纏或干涉，這些現象對量子通信至關重要。對量子物理的理解為計算和感測開拓了新領域。科學家們正使用不同的材料在量子層面存儲和處理資訊，並採用多種方法，包括捕獲離子、中性原子、超導電路及光子作為量子位或 qubit。光子是最容易操作的資訊載體之一。

然而，為了在量子通信中使用它們，必須具備完全相同的特性或相互之間必須是「無法區分」的。先前生成這些光子的嘗試成功有限，因為光子要麼聚焦不良，要麼僅暫時相關。

突破性的光子生成技術

來自巴塞爾、魯爾及帕德博恩的研究人員的聯合努力通過半導體量子點解決了這一障礙。研究人員使用帶有光學共振腔的半導體量子點，利用一種稱為「雙激子衰變」的過程生成幾乎無法區分的光子。在此過程中，由兩個束縛激子組成的分子衰變，並釋放出一個激子和一個光子。「量子點通常被描述為半導體中的人工原子，可以生成單個光子，」帕德博恩大學功能光子結構教授斯特凡·舒馬赫解釋道。「通過將其整合到專門的光學腔中——類似於鐳射中的腔體——此次研究特別加速和控制了光的發射過程。」

激子由一個電子和一個電子空穴組成，在此過程中，量子點被雙重激發，隨後激發衰變。因此，雙激子級聯生成兩個光子，一個接著一個。更重要的是，光子對可以在按下按鈕的瞬間生成，這對於新時代技術的部署十分有用。

光子純度的優化方法

研究團隊進一步研究了量子點與光學腔的相互作用，該研究由巴塞爾大學實驗凝聚態物理學教授理查德·沃伯頓進行。雖然這項工作幫助在各個領域取得突破性進展，但聯合研究團隊利用雙激子衰變的科學，使其衰變以可控的方式進行。這幫助研究人員實現了 90%的無法區分性，這比之前實現的 60%有所提高。更高的光子無法區分性意味著數據處理中的錯誤更少。「結果與理論預測的卓越一致，為生成具有更高無法區分性的光子指明瞭方向，」沃伯頓在一份新聞稿中補充道。

「他們證明瞭雙激子衰變可以產生非常高質量的光子——前提是系統在使用腔體的情況下得到妥善控制。」

巴德博恩大學混合量子光子器件負責人克勞斯·容斯表示：「我們發現生成的光子的純度也可以通過共振腔進行優化，僅受半導體晶格中的振動（聲子）限制。這一現象稱為「腔體餵養」，必須在未來的設計中予以考慮，並且可以系統性地進一步最小化。」這項研究結果已發表在《物理評論應用》期刊上。

新技術如何推動量子通信發展

這項研究顯示了半導體量子點在量子通信中的潛力，特別是通過雙激子衰變來生成高質量光子。隨著光子無法區分性的提高，這將有助於提升量子通信的可靠性，並減少數據處理中的錯誤。研究團隊的成果不僅推動了量子通信技術的發展，還可能影響未來的量子計算和感測技術，因為這些領域都依賴於高效的量子位操作。