麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了一種在室溫下產(chǎn)生更多單光子來攜帶量子信息的方法。他們說，這種設(shè)計有望開發(fā)實用的量子計算機(jī)。量子發(fā)射器產(chǎn)生可以一次檢測一個的光子。消費(fèi)者量子計算機(jī)和設(shè)備可能潛在地利用那些光子的某些屬性作為量子位(“量子位”)來執(zhí)行計算。當(dāng)經(jīng)典計算機(jī)以0或1的比特處理和存儲信息時，量子比特可以同時為0和1。這意味著量子計算機(jī)可以解決古典計算機(jī)難以解決的問題。

然而，一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是產(chǎn)生具有相同量子特性的單光子 - 被稱為“無法區(qū)分”的光子。為了改善不可分辨性，發(fā)射器將光線通過光學(xué)腔體漏斗，光學(xué)腔體在光學(xué)腔體中來回反彈，這一過程有助于將它們的特性與腔體相匹配。通常，較長的光子留在腔中，它們匹配得越多。

但也有一個權(quán)衡。在大空腔中，量子發(fā)射器自發(fā)地產(chǎn)生光子，導(dǎo)致僅有一小部分光子停留在空腔中，使得該過程效率低下。較小的空腔提取較高百分比的光子，但光子質(zhì)量較低，或“可區(qū)分”。

在今天發(fā)表在“物理評論快報”上的一篇論文中，研究人員將一個腔分成兩個腔，每個腔都有一個指定的任務(wù)。較小的空腔處理光子的有效提取，而附著的大空腔存儲它們稍長一些，以增強(qiáng)不可區(qū)分性。

與單腔相比，研究人員的耦合腔產(chǎn)生的光子具有約95%的不可區(qū)分性，而不可分辨率為80%，效率提高約三倍。

“總之，兩個比一個更好，”第一作者Hyeongrak“Chuck”Choi說，他是麻省理工學(xué)院電子研究實驗室(RLE)的研究生。“我們發(fā)現(xiàn)，在這種結(jié)構(gòu)中，我們可以分離兩個腔體的作用：第一個腔體僅側(cè)重于收集光子以獲得高效率，而第二個腔體側(cè)重于單個通道中的不可區(qū)分性。一個腔體可以發(fā)揮兩種作用”達(dá)到兩個指標(biāo)，但兩個腔同時實現(xiàn)。“

加入崔的論文是：Dirk Englund，電氣工程和計算機(jī)科學(xué)副教授，RLE研究員，量子光子實驗室負(fù)責(zé)人;R Zhu的研究生Di Zhu;和Yoseob Yoon，化學(xué)系的研究生。

相對較新的量子發(fā)射器，稱為“單光子發(fā)射器”，是由其他純材料中的缺陷產(chǎn)生的，例如鉆石，摻雜的碳納米管或量子點。由這些“人造原子”產(chǎn)生的光被光子晶體中的微小光學(xué)腔捕獲 - 一個納米結(jié)構(gòu)充當(dāng)鏡子。一些光子逃逸，但是其他光子在腔體周圍反彈，這迫使光子具有相同的量子特性 - 主要是各種頻率特性。當(dāng)它們被測量到匹配時，它們通過波導(dǎo)離開腔。

但是單光子發(fā)射器也經(jīng)歷大量的環(huán)境噪聲，例如晶格振動或電荷波動，產(chǎn)生不同的波長或相位。具有不同特性的光子不能“受到干擾”，使得它們的波重疊，從而產(chǎn)生干涉圖案。這種干涉模式基本上是量子計算機(jī)觀察和測量的計算任務(wù)。

光子不可分辨性是光子干擾潛力的量度。通過這種方式，模擬實際量子計算的使用是一個很有價值的指標(biāo)。“即使在光子干涉之前，我們也可以通過不可區(qū)分來指定光子干涉的能力，”Choi說。“如果我們知道這種能力，我們可以計算出如果將它用于量子技術(shù)，例如量子計算機(jī)，通信或中繼器，將會發(fā)生什么。”

在研究人員的系統(tǒng)中，一個小空腔與發(fā)射器相連，在他們的研究中，這是一個鉆石中的光學(xué)缺陷，稱為“硅空位中心” - 硅原子取代了金剛石晶格中的兩個碳原子。由缺陷產(chǎn)生的光被收集到第一腔中。由于其聚焦結(jié)構(gòu)，光子以非常高的速率被提取。然后，納米腔將光子引導(dǎo)到第二個更大的腔中。在那里，光子來回反彈一段時間。當(dāng)它們達(dá)到高的不可區(qū)分性時，光子通過由將空腔連接到波導(dǎo)的孔形成的部分鏡子射出。

Choi說，重要的是，腔體都不能像傳統(tǒng)腔體那樣滿足嚴(yán)格的設(shè)計要求，即效率或不可分辨性，稱為“質(zhì)量因子(Q因子)”。Q因子越高，光學(xué)腔中的能量損失越低。但是具有高Q因子的空腔在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。

在這項研究中，研究人員的耦合腔產(chǎn)生的光子質(zhì)量高于任何可能的單腔系統(tǒng)。即使其Q因子大約是單腔系統(tǒng)質(zhì)量的百分之一，它們也可以實現(xiàn)相同的不可分辨性，效率提高三倍。

可以調(diào)整腔體以優(yōu)化效率與不可區(qū)分性 - 并考慮Q因子的任何約束 - 取決于應(yīng)用。Choi補(bǔ)充道，這一點非常重要，因為今天在室溫下工作的發(fā)射器在質(zhì)量和性能方面差別很大。

接下來，研究人員正在測試多個腔體的最終理論極限。還有一個腔體仍能有效地處理初始提取，但隨后將與多個腔體相關(guān)聯(lián)，這些腔體具有各種尺寸的光子以實現(xiàn)一些最佳的不可區(qū)分性。但是很可能會有一個極限，Choi說：“有兩個腔，只有一個連接，所以它可以是有效的。但如果有多個腔，多個連接可能會使它效率低下。我們現(xiàn)在正在研究用于量子計算的空腔的基本限制。“