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快速光子控制使量子光學技術更接近現實

利用光子而非電子來傳輸資訊,除其他優勢外,還導致更快速與更安全的通訊方法。現在一個物理學家團隊在實現量子光學技術上向前跨出了另一步:他們證明如何快速操作波長與現有光學電信網路一樣的單光子。能在幾奈秒內控制一個光子的路徑與偏振,使光學迴路能與現有的光學電信網路整合,導致明顯的改善。

這些物理學家,來自英國 Bristol,Bristol 大學、英國愛丁堡,Heriot-Watt 大學,以及位於荷蘭 Delft 的 Kavli Institute of Nanoscience,已將他們快速控制單光子之路徑與偏振的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 中。

這些物理學家在一種由迴路(單光子透過它移動)所組成的量子光學裝置上進行研究,在此,這些迴路可重新配置以改變光子的路徑與偏振。這些量子光學迴路的挑戰之一是,在很快的速率下操縱單光子與多光子的狀態。

為了對付這種挑戰,研究者使用被證實在當前電信調變器中具,有迅速操作能力的鈮酸鋰(lithium niobate)波導。利用電光效應(electro-optic effect)的優勢,研究者證明,在波導附近的電極施加一電壓可快速操作光(由 1 或 2 個光子構成)的量子態。他們利用在 1550 nm 波長下(那用在電信網路中)產生的光子對,完成快速路徑與偏振控制的證明。

“在此實驗中,我們證明在二種迴路配置間的交換(switching,切換),每一種都會導致不一樣的量子態," 第一作者,Bristol 大學的 Damien Bonneau 榜示。"重新配置速率被設定在 4 MHz,而先前的實驗則是每隔數秒才完成線路重配置。" 交換所使用的技術基本上與日常電信網路中所使用的技術相同,那用以交換被編碼在 40 GHz 光脈衝中的資訊位元。原則上,像這樣的交換也能在單光子的層次上使用。"

如同 Bonneau 的解釋,鈮酸鋰波導操縱光之量子態的能力提供了一種截然不同的方法,較先前方式快了許多。

“直到目前為止,on-chip 的光量子態操作依賴作用如同緩慢相轉移器(slow phase shifters)的加熱器," Bonneau 表示。"我們在此證明,藉由利用建構網際網路的其中一種技術,我們不僅能交換光封包以路由古典資訊,還可以快速改造與操縱光的量子態。"

如這些科學家的解釋,能在單一平台上快速控制單光子的偏振與路徑,對於基礎量子科學以及量子技術來說都將十分有用。他們計畫未來將他們的研究朝這些應用當中的幾個擴展。

“鈮酸鋰,製造出這些裝置的材料,也能用來隨機產生光子," Bonneau 表示。"超導單光子偵測器也能被整合到像這樣的晶片上。一個技術性平台,結合了隨機的單光子源、迴路與偵測器,能為數種應用開路,包括可靠的單光子源(藉由數個來源的多工,multiplexing),量子中繼器(quantum relays,為長距離量子通訊所需),或量子金鑰散佈(為量子加密所需)。"

資料來源:PHYSORG:Fast photon control brings quantum photonic technologies closer[February 13, 2012]

轉載自only-perception

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