缺陷承诺通过标准光纤进行量子通信
  • 时间:2019-12-12
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  由格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所牵头的国际科学家小组已经确定了一种创造量子比特的方法,这些量子比特发出的光子可以描述其波长接近电信供应商使用的波长状态。这些量子位基于碳化硅,其中钼杂质产生色心。结果发表在10月1日的npjQuantum Information期刊上。

  通过使用叠加和纠缠等现象,量子计算和量子通信可以实现卓越的计算能力和不可破解的密码学。已经报道了通过光纤传输这些量子现象的若干成功,但这通常是在与全球数据传输中当前使用的标准光纤不相容的波长处。

  来自荷兰格罗宁根大学的物理学家以及瑞典林雪平大学和半导体公司Norstel AB的同事现在已经发布了一个量子比特的构造,该量子比特传输其在1,100纳米波长下的状态信息。此外,所涉及的机制可能被调整到接近数据传输中使用的波长(约1,300或1,500纳米)。

  该论文的第一作者,博士生Tom Bosma解释说,这项工作始于硅碳晶体的缺陷。碳化硅是一种半导体,并且已经做了很多工作来防止影响晶体性质的杂质。结果,有一个巨大的杂质库和它们对晶体的影响。但这些杂质正是博斯玛及其同事所需要的:它们可以形成所谓的色心,而这些杂质对特定波长的光有反应。

  当使用激光以正确的能量将光照射到这些色心上时,碳化硅晶体中钼原子的外壳中的电子被踢到更高的能级。当它们返回基态时,它们会释放出多余的能量作为光子。博世解释说,对于钼杂质,这些将是红外光子,其波长接近数据通信中使用的波长。

  该博士生Carmem Gilardoni说,这篇材料是构建量子比特的起点,他在论文中做了大量的理论工作。“我们使用一种称为连贯人口捕获的技术来创建色心中的叠加。”这涉及使用称为自旋的电子特性,这是一种量子力学现象,它给电子提供一个可以指向上或下的磁矩。这会创建一个量子比特,其中自旋状态表示0或1。

  Gilardoni:如果施加磁场,则自旋与磁场平行或反平行排列。有趣的是,结果是旋转或旋转下降的电子的基态略有不同。当激光用于激发电子时,它们随后回落到两种基态之一。由量子器件物理学教授Caspar van der Wal领导的团队使用两个激光器,每个激光器调谐以将电子从一个基态移动到相同的激发水平,从而产生两种自旋状态叠加的情况。在色彩中心进化而来。

  Bosma:经过一番微调后,我们设法生成了一个量子比特,我们在这个量子比特中实现了持久的叠加和快速切换。此外,量子比特发射的光子具有红外波长的量子态信息。鉴于可以在碳化硅晶体中产生色心的大量杂质库,该团队相信他们可以将此波长提升到标准光纤中使用的水平。如果他们能够管理这个并产生更稳定(并因此更持久)的叠加,量子互联网将更接近于成为现实。

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