量子通信:光子对50万亿分之一秒内形成!

日期:2019-05-22 09:51:55

在未来,量子物理将成为信息技术安全的保障。为了达到这一目的,光的单个粒子被用于数据的安全传输。来自马普固态研究所物理学家的发现可能会起到关键作用。研究人员偶然发现了一种光源,它能从电子的能量中产生光子对。其中一种光粒子有可能作为脆弱量子信息的载体,另一种则作为信使,提前通知它的孪生兄弟。与量子通信不同,厨师可以查看他需要的所有配料是否都在橱柜里,毕竟,面粉在你看一眼的时候不会变质。


一位物理学家试图测试传输量子信息的程序是否按计划工作,这是一个非常棘手的问题。量子物体在被观察,即被测量时,会改变它们的状态。在量子通信中,这使得控制光子传输的信息变得困难。但这是非常重要的一点。每一次与环境的接触都会破坏光子所传输的量子信息,而且,单光粒子的来源往往只产生非常不规则的单个光子。你如何保证光子在没有测量的情况下就在路上呢?光子对是解,一个光子可以作为它孪生兄弟的信使。


光子对的意外来源

马克斯普朗克固体研究所的科学家们现在发现了这种光子对一个意想不到的来源:扫描隧道显微镜。研究人员通常使用这种显微镜来研究导电或半导体材料的表面。显微镜是基于量子隧穿效应。这描述了电子如何有一定的概率通过一个势垒,而根据经典物理学,这个势垒通常是不能通过的。在扫描隧穿显微镜中,对金属针尖施加电压,使电子在很短的距离内隧穿到样品上。如果一个电子在这个隧穿过程中失去能量,就会产生光。正是这种光,物理学家们研究了好几年,现在带来了一个令人惊讶的发现:


  • 图示受控量子信号:当电子(浅蓝色)从扫描隧道显微镜的尖端隧穿到样品时,光子对(黄色和红色)的产生频率比之前假设的要高。这在量子通信中开辟了一种可能性,即在一个光子传输信息的同时,验证另一个光子的传输。图片:Klaus Kuhnke/MPI für Festkörperforschung

在隧穿过程中,除了单个的光粒子,光子对也形成了,其速度是理论预测的1万倍。科学家克里斯托弗·利昂解释说:根据理论,光子对形成的概率非常低,永远不会看到它,但我们的实验表明,光子对的产生速度要快得多,这对我们来说是一个巨大的惊喜!物理学家使用两个探测器测量光子对,使他们能够测量到达光子之间的时间间隔。首席科学家克劳斯·库恩克(Klaus Kuhnke)解释说:当光子对在隧穿结中形成时,不到50万亿分之一秒,目前,还不能确定光子是同时产生的,还是连续快速产生的,因为探测器的分辨率还不够高。


隧道结的应用

这一发现为隧道结在光子学和量子通信领域开辟了新的应用前景,科学家们已经知道产生光子对的过程,但大多数过程都使用强激光。此外,所需的设备非常小,并且该过程在原子尺度上进行。这意味着新的光源也可以用于未来几代计算机芯片,用光学元件取代电子元件。使用光子的一个优点是,它们保证了快速和无损的数据传输。究人员进行的实验中光子对速度非常快,但是实验所需的超高真空和极低温度仍然是一个实际的挑战。


科学家下一步是找出测量一个光子是否会直接影响另一个光子的状态。如果是这样,光粒子就会纠缠。这种纠缠粒子在量子密码学中至关重要。这些结果也提出了光子对如何形成的基本问题。到目前为止,这一过程几乎一直被理论背景所忽视。光子对产生的事实表明,一个复杂的过程肯定正在发生。这一过程令人兴奋,因为它为光的产生开辟了一个新视角!


博科园|研究/来自:马克斯·普朗克学会参考期刊《Science Advances》DOI: 10.1126/sciadv.aav4986博科园|科学、科技、科研、科普

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