Only Perception: 快速光子控制使量子光學技術更接近現實

2012-02-14

快速光子控制使量子光學技術更接近現實

Fast photon control brings quantum photonic technologies closer
http://www.physorg.com/news/2012-02-fast-photon-quantum-photonic-technologies.html

By Lisa Zyga, February 13, 2012

(PhysOrg.com) -- 利用光子而非電子來傳輸資訊，除其他優勢外，還導致更快速與更安全的通訊方法。現在一個物理學家團隊在實現量子光學技術上向前跨出了另一步：他們證明如何快速操作波長與現有光學電信網路一樣的單光子。能在幾奈秒內控制一個光子的路徑與偏振，使光學迴路能與現有的光學電信網路整合，導致明顯的改善。

這些物理學家，來自英國 Bristol，Bristol 大學、英國愛丁堡，Heriot-Watt 大學，以及位於荷蘭 Delft 的 Kavli Institute of Nanoscience，已將他們快速控制單光子之路徑與偏振的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 中。

這些物理學家在一種由迴路（單光子透過它移動）所組成的量子光學裝置上進行研究，在此，這些迴路可重新配置以改變光子的路徑與偏振。這些量子光學迴路的挑戰之一是，在很快的速率下操縱單光子與多光子的狀態。

為了對付這種挑戰，研究者使用鈮酸鋰（lithium niobate）波導，那經證明在當前電信調變器中具有迅速操作的能力。利用電光效應（electro-optic effect）的優勢，研究者證明，在波導附近的電極施加一電壓可快速操作光（由 1 或 2 個光子構成）的量子態。他們利用在 1550 nm 波長下（那用在電信網路中）產生的光子對，完成快速路徑與偏振控制的證明。

"在此實驗中，我們證明在二種迴路配置間的交換（switching，切換），每一種都會導致不一樣的量子態，" 第一作者，Bristol 大學的 Damien Bonneau 榜示。"重新配置速率被設定在 4 MHz，而先前的實驗則是每隔數秒才完成線路重配置。" 交換所使用的技術基本上與日常電信網路中所使用的技術相同，那用以交換被編碼在 40 GHz 光脈衝中的資訊位元。原則上，像這樣的交換也能在單光子的層次上使用。"

如同 Bonneau 的解釋，鈮酸鋰波導操縱光之量子態的能力提供了一種截然不同的方法，較先前方式快了許多。

"直到目前為止，on-chip 的光量子態操作依賴作用如同緩慢相轉移器（slow phase shifters）的加熱器，" Bonneau 表示。"我們在此證明，藉由利用建構網際網路的其中一種技術，我們不僅能交換光封包以路由古典資訊，還可以快速改造與操縱光的量子態。"

如這些科學家的解釋，能在單一平台上快速控制單光子的偏振與路徑，對於基礎量子科學以及量子技術來說都將十分有用。他們計畫未來將他們的研究朝這些應用當中的幾個擴展。

"鈮酸鋰，製造出這些裝置的材料，也能用來隨機產生光子，" Bonneau 表示。"超導單光子偵測器也能被整合到像這樣的晶片上。一個技術性平台，結合了隨機的單光子源、迴路與偵測器，能為數種應用開路，包括可靠的單光子源（藉由數個來源的多工，multiplexing），量子中繼器（quantum relays，為長距離量子通訊所需），或量子金鑰散佈（為量子加密所需）。"

※ 相關報導：

＊ Fast Path and Polarization Manipulation of Telecom Wavelength Single Photons in Lithium Niobate Waveguide Devices
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.053601

Damien Bonneau, Mirko Lobino, Pisu Jiang,
Chandra M. Natarajan, Michael G. Tanner, Robert H. Hadfield,
Sanders N. Dorenbos, Val Zwiller, Mark G. Thompson, and
Jeremy L. O'Brien
Phys. Rev. Lett. 108, 053601 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.053601