产生量子纠缠的设备通常体积庞大,且每次只能产生一对纠缠光子。现在,科学家们发明了一种厚度约为一便士三分之一的装置,它不仅可以成对产生复杂的纠缠光子网,还可以将多对纠缠光子连在一起。本发明不仅可以大大简化量子技术所需的设置,而且有助于支持更复杂的量子应用。
据了解,产生纠缠光子的常见方法是将光束照射到一个特殊的“非线性晶体”上。每个晶体都可以将一个光子分裂成两个能量较低、波长较长的纠缠光子。
“传统的纠缠光子产生技术并不灵活,它们只能在通常非常窄的特定波长范围内产生光子对,”合著者Maria Chekhova说,她是德国埃尔朗根马普科学研究所的物理学家。这种窄带宽会限制通信速率。
此外,Chekhova补充道,产生纠缠光子的标准方法最终决定了纠缠光子的许多特性,如波长和偏振。她解释说,如果想进一步操纵这些特征,就需要更多的设备。另外,非线性晶体通常体积较大。对于需要许多纠缠光子的应用来说,这可能很麻烦。“一个量子计算源需要数十或数百个体积庞大的晶体,”研究共同发起人、Albuquerque Sandia国家实验室集成纳米技术中心的物理学家Igal Brener说。
科学家们现在发现,只有大约半毫米厚的设备就足够了。这些设备是亚表面,表面覆盖着大量的微观柱子。Brener说:“我们只需要将一个或多个激光聚焦到一个平坦的样品上,其余的都由亚表面完成。”
每一个亚表面都由一个500微米厚的玻璃表面组成,表面覆盖着砷化镓结构,每个亚表面都类似于约300纳米宽的立方体,上面刻有缺口。调整每个亚表面纳米结构的组成、结构和位置的方式可以帮助科学家控制落在器件上的光的许多特征。
将激光束照射到这些亚表面上会导致纠缠光子出现。Brener说:“原则上,一个亚表面可以产生几种类型的纠缠光子对。使用多光子对创建更复杂的量子状态可以带来进行量子计算、传感、加密等的新方法或更有效的方法。”
此外,亚表面可以操纵一系列纠缠光子的特征,“但我们还并没有探索那个自由度,”Brener说,“机会是巨大的,我们还只触及了表面。”
目前,这些亚表面的效率较低。Chekhova说:“我们的速率不到每秒一对,而标准晶体的速率为每秒数十万对。” 然而,她指出,进一步改进设备可能会将效率提高至少千倍。
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原文标题:Metasurfaces将有助于简化量子信息技术 但也可以实现复杂的应用
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