Only Perception: 物理學家打造出第一個單光子路由器

2011-08-24

物理學家打造出第一個單光子路由器

Physicists build first single-photon router
http://www.physorg.com/news/2011-08-physicists-single-photon-router.html

By Lisa Zyga, August 22, 2011

(PhysOrg.com) -- 藉由展示，內嵌在一條傳輸線（transmission line）中的人造原子能將單一光子自輸入埠路由（route）到二個輸出埠（output 1、output 2）的其中一個，物理學家建立出第一個在單光子層次上運作的路由器。單光子路由器有朝一日能在量子資訊網路中成為一種量子節點，能夠提供基本的資料處理以及路由。

這些科學家，由來自瑞典 Goteborg，Chalmers 科技大學的 Per Delsing 與 Chris Wilson 所領導，以及來自西班牙馬德里，Spanish National Research Council 的共同作者，將他們的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。

如科學家的解釋，控制與引導光子比控制與引導電子（其為今日絕大多數路由器所用）更加困難。困難根源於這項事實：光子不像電子，彼此並不會強烈地交互作用。然而，量子通道最重要的需求之一是，能將資訊散播到很遠的距離。因為光子比起其他量子系統，例如原子，能前後一致地傳播非常遠的距離，所以把當光子當成量子資訊網路中的資訊載體，別具意義。

為了建立他們的單光子路由器，科學家把某種超導量子位元當成「人造原子（artificial atom）」使用（儘管 qubit 實際上是由數個原子構成，不過那像一個真正的原子，具有離散的能態）。這些科學家接著將 qubit 耦合到一維的傳輸線，微波光子藉此可行進。接下來，他們採用一道微弱的、連續的光子探針，有時還增加一道較強的控制脈衝。沒有這道強控制脈衝（strong control pulse），人造原子會將入射光子反射回去，那會行進到 output 1。當強控制脈衝開啟，那會導致電磁誘發通透（electromagnetically induced transparency，EIT）的現象。EIT 導致原子對於弱探針射束（weak probe beam）而言是「透明的」，導致光子行進通過原子，抵達 output 2。透過這種方式，科學家能將入射光子引導至二個輸出埠的其中一個。

"基於單個原子的電磁誘發通透，已在（可見）光域（optical domain）中被證明，不過其激發效率相當低，" Delsing 表示。"在微波域中，某個日本小組已獲得 90% 的效率，不過那並不是被設置成路由器。因此，你可以說，這是第一個在單光子層次上運作的路由器。此外，其效率高達 99%，而且它相當快。"

研究者在激發效率上達成一個數量級的增加（達到 99.6%），那顯示，光子有效率地耦合到人造原子，使得光子能獲得更好的控制。該裝置的切換時間（switching time，將入射光子從其中一個輸出埠切換到另一個所花的時間）只有幾奈秒。

科學家也提到，這個路由器能輕易地擴展成多重輸出埠，如果要當成量子節點使用，這將是必須的。

"我們心裡已盤算幾個新實驗，其中之一是實作我們在論文中描述的多重輸出路由器，" Delsing 說。"其他可能的實驗包括，在相同傳輸線中使用多個人造原子並增加與光子互動的「原子」數量。我們正朝向「大規模量子物件整合」移動。"

對於量子通道中的應用，科學家解釋，使用可見光光子會比微波光子（那在本研究中使用）好。該裝置在研究中也能有重要的應用。

"路由器在研究中能非常有用，例如，來自單光子源的光子，可藉此散布到數個在同一晶片上的實驗，" Delsing 說。"那因而將允許利用微波光子進行更加密實且整合度更高的實驗。"

"光子是理想的量子資訊載體，" 他補充道。"利用這個路由器，我們能散播與路由攜帶量子資訊的微波光子。在未來的量子電腦中，能在不同的量子電腦內或量子電腦間通訊，將非常有用。在較遠的未來，你可以想像一下，有時被指稱為「量子網際網路（quantum interne）」的東西。然而，你將需要額外的裝置，例如在可見光光子與微波光子之間的量子界面，以及所謂的量子中繼器（quantum repeaters）。"

※ 相關報導：

＊ Demonstration of a Single-Photon Router in the Microwave Regime
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.073601

Io-Chun Hoi, C. M. Wilson, Goran Johansson, Tauno Palomaki,
Borja Peropadre, and Per Delsing
Phys. Rev. Lett. 107, 073601 (2011) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.107.073601