图片来源：Natasha Tomm 等人

为了构建基于光的量子技术，科学家和工程师需要能够一次生成和操纵单个或几个光子。要构建这种可能用于光量子计算机的量子光子逻辑门，需要一种特殊的介质，该介质允许几个光子进行强大且受控的交互。

一种方法虽然困难，但是使用“一维原子”，这是一种根据特定光子态（单光子、光子对、光子三重态等）的输入发射光子的装置。简而言之，一个光子筛。

创建一个一维原子——它的一维是入射光子到达的线——并不容易。它必须在基本上 100% 的时间内与入射光子相互作用，没有噪声和退相干性，其中一维原子受到光子和原子局部环境的干扰。

已经使用了原子系综，它们一起充当超原子或波导中的发射器。另一种可能性是由空腔量子电动力学提供的——嵌入微腔中的单个发射器。嵌入式发射器可能是行为类似于原子的原子、离子、分子或量子点。

由巴塞尔大学的理查德·沃伯顿 （Richard Warburton） 领导的来自瑞士和德国的研究小组使用量子点构建了这样一个光子门，他们的研究发表在《物理评论快报》杂志上。

量子点由半导体纳米晶体制成，是纳米大小的物体，其光学和电子特性受量子力学规则的支配。这个特殊的量子点宽 20 纳米，嵌入在光腔的两个反射壁之间，有效地创建了一个一维原子，并放置在允许控制和更改腔长度的设备上。

由单个光子或多个光子的光子态组成的微弱激光从顶部进入腔体并撞击量子点。如果量子点的能级差异与光子能量相匹配，则量子点会吸收它。在这种情况下，该点会发射该能量的光子，该光子从顶部反射回来。

用于筛选光子的装置示意图，显示了一个被光腔包围的量子点，上面有一个偏振分束器。图片来源：巴塞尔大学和波鸿维亚鲁尔大学 Natasha Tomm 等人，通过 CC-BY（4.0 国际）许可证

但是，如果从顶部入射的光子态由两个或多个光子组成，则该态与量子点的相互作用会发生变化，出射态的极化（其电场的方向）会发生变化。将偏振滤光片（“分束器”）放置在点的顶部，反射的单个发射光子沿一个方向（端口 1）通过，反射的多光子态沿另一个方向（端口 2）反射。

因此，入射光束分为单光子和多光子状态。由几种不同光子态组成的光源会产生单个光子束，可用于量子技术、光学计算机电路或其他应用。该设备充当单光子的镜子。

在他们的实验中，该小组发现 99.2% 的入射光束已被分成多光子态，留下纯单光子，这表明量子点-光腔相互作用的效率很高。测量所谓的二阶相关函数（光子聚集的量度，是非线性的量度）得出值 587。

研究人员写道：“据我们所知，这是迄今为止观察到的非线性导致的最大光子聚集。其他实验设置中的最佳值是 20。

腔的配置允许通过相对于光腔移动量子点来调整和操纵透射光，而无需对设置进行外部更改。这会改变点和腔之间的耦合;传输光子的强聚束实际上可以更改为反聚束。

“量子点的行为根据光子的数量而大不相同，”他们写道。“这会导致巨大的聚集，因为只有多光子态被传输。”

区分观察到的光子数允许在单光子水平上进行交互。这些结果可能导致有用的光子束缚态的创建，其中两个或多个光子紧密结合在一起。光子通常不会相互交互，这是光纤通信的一个有用特性。但是，某些应用（例如经典和量子信息处理）需要光子之间的交互，但需要非常非线性的介质，就像这里开发的介质一样。

这种非线性光子过程已经用于光子频率转换、光放大和光传感等应用。该设备产生的其他奇异光子状态可能有助于在受控环境中理解许多身体现象。

更多信息：Natasha Tomm 等人，实现相干且高效的一维原子，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.083602。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2402.12568

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv