量子技術(shù)大有可為：幾年之后，量子計(jì)算機(jī)有望徹底改變數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、人工智能系統(tǒng)、計(jì)算仿真。如今，量子密碼學(xué)已經(jīng)可以保證絕對(duì)安全的數(shù)據(jù)傳輸，雖然仍有一定的局限性。關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它最有可能兼容我們目前的硅基電子學(xué)。德國(guó)亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心（HZDR）和德累斯頓工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家們正是在這一點(diǎn)上取得了顯著的進(jìn)展：團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一款硅基光源來(lái)生成可在玻璃纖維中很好傳輸?shù)膯喂庾印?/p>

量子技術(shù)依賴(lài)于盡可能精準(zhǔn)地控制量子粒子的行為，例如通過(guò)在磁阱中鎖定單個(gè)原子，或者通過(guò)玻璃纖維發(fā)送單獨(dú)的光粒子（稱(chēng)為“光子”）。后者是量子密碼學(xué)的基礎(chǔ)，量子密碼學(xué)可以開(kāi)辟一種防止竊聽(tīng)的通信方法：任何一個(gè)數(shù)據(jù)竊賊想要攔截光子時(shí)都會(huì)不可避免地破壞它們的量子特性。消息的發(fā)送者和接收者會(huì)察覺(jué)到這一點(diǎn)，并及時(shí)阻止可能造成數(shù)據(jù)泄露的傳輸。

示意圖

這就需要可以發(fā)出單光子的光源。這種系統(tǒng)已經(jīng)存在，特別是基于鉆石的系統(tǒng)。但是，它們都有一個(gè)缺點(diǎn)。HZDR 物理學(xué)家格奧爾基·阿斯塔霍夫（Georgy Astakhov）博士解釋道：“這些鉆石光源只能生成頻率不適合光纖通信的光子。這對(duì)實(shí)際應(yīng)用造成了很大的限制�！彼�以，阿斯塔霍夫及其團(tuán)隊(duì)決定使用一種不同的材料，即久經(jīng)考驗(yàn)的電子基礎(chǔ)材料“硅”。

100000個(gè)單光子/秒

為了使材料生成光纖通信所需的紅外光子，專(zhuān)家們對(duì)它們進(jìn)行了特殊處理，用 HZDR 離子束中心的加速器選擇性地將碳原子射入硅中。這樣就在材料中創(chuàng)造出了所謂的“G中心”，兩個(gè)鄰近的碳原子與一個(gè)硅原子耦合到一起，形成一種人造的原子。

受到紅色激光照射時(shí)，這種人造原子發(fā)出我們所希望的波長(zhǎng)為1.3微米的紅外光子，這個(gè)頻率非常適合光纖通信。阿斯塔霍夫報(bào)告道：“我們的原型每秒可以產(chǎn)生十萬(wàn)個(gè)單光子。而且這是穩(wěn)定的。甚至在連續(xù)運(yùn)行幾天之后，我們都沒(méi)有觀察到任何退化。”然而，該系統(tǒng)僅能在極低的溫度下工作，物理學(xué)家們使用液氦將它冷卻至零下268攝氏度。

阿斯塔霍夫的同事 Yonder Berencén 表示：“我們首次展示了硅基單光子光源的可能性。這樣就基本上有可能使這些光源與其他光學(xué)元件集成到一顆芯片上�！贝送�，有意思的是，將這種光源與諧振器結(jié)合一起，可以用于解決光源大多數(shù)都是隨機(jī)產(chǎn)生紅外光子的問(wèn)題。然而，量子通信的應(yīng)用需要隨時(shí)產(chǎn)生光子。

芯片上的光源

這種諧振器可以調(diào)整到正好匹配光源的波長(zhǎng)，這樣就有可能增加生成光子的數(shù)量，使它們?cè)谌魏谓o定時(shí)間都是可用的。Berencén 表示：“這樣的諧振器已經(jīng)被證明可以在硅中構(gòu)造。而缺少的是一個(gè)硅基單光子源。而這正是我們現(xiàn)在能夠創(chuàng)造出的。”

但是在他們考慮實(shí)際應(yīng)用之前，HZDR 的研究人員還需要解決一些問(wèn)題，例如更加系統(tǒng)地生產(chǎn)新的電信單光子源。格奧爾基·阿斯塔霍夫解釋道：“我們需要以更大的精度將碳原子植入到硅中。HZDR 的離子束中心為實(shí)現(xiàn)諸如此類(lèi)的構(gòu)思提供了一個(gè)理想的基礎(chǔ)設(shè)施�！�

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