新型光子偏振片照亮量子通信之路

洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，可以比現(xiàn)有方法更容易、更便宜地產(chǎn)生偏振光子。該技術(shù)使用原子力顯微鏡在原子薄材料的兩層堆疊中形成壓痕。壓痕產(chǎn)生小磁場，使系統(tǒng)發(fā)射的光子極化。如果擴大規(guī)模，這種方法可能會加速量子通信的實現(xiàn)。

量子通信使用光子來攜帶信息，就像經(jīng)典通信使用電子一樣。但是，雖然經(jīng)典計算機通過打開或關(guān)閉電流來編碼信息，但量子計算機是通過改變每個光子的電磁波的方向來編碼信息的，即光子的偏振。以這種方式編碼信息可以利用疊加和糾纏等量子現(xiàn)象來獲得新的通信特征，比如量子網(wǎng)絡(luò)固有的安全性。

開發(fā)一種有效的改變光子偏振的方法是實現(xiàn)量子通信的基本步驟之一。目前的方法既復(fù)雜又昂貴。有些需要非常高的精度，例如將量子發(fā)射器（發(fā)射單光子的設(shè)備）與能夠影響其偏振的納米級結(jié)構(gòu)連接起來。其他的需要大量的能量，比如冷卻到液氦溫度的巨型磁鐵，它可以通過改變光子的能量狀態(tài)來誘導(dǎo)光子極化。洛斯阿拉莫斯綜合納米技術(shù)中心的科學(xué)家、該研究的合著者Han Htoon說，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個這樣的磁鐵消耗了大量的能量，需要一個房子大小的發(fā)電機。

“What we think is happening is the indentations not only created quantum emitters in the tungsten diselenide—it also disrupted the magnetic aura in nickel phosphorus trisulfide, such that it creates tiny little magnets.”

—HAN HTOON, CENTER FOR INTEGRATED NANOTECHNOLOGIES, LOS ALAMOS

該研究的研究人員通過將過程簡化為一個既能發(fā)射光子又能影響光子偏振的單一設(shè)備，大大降低了光子偏振的復(fù)雜性和能量使用。該器件由兩種超薄材料堆疊而成：頂層由二硒化鎢組成，這種材料因其量子發(fā)光特性而常用；底層由鎳磷三硫化物組成，它非常穩(wěn)定，也為器件提供了重要的磁性來源。因為光子發(fā)射得離鐵磁性材料很近，所以這種磁性足以引起光子偏振。

Htoon說，奇怪的是，鎳磷三硫化物通常缺乏任何鐵磁性。但研究人員發(fā)現(xiàn)，當使用原子力顯微鏡在雙層設(shè)備上布滿納米級壓痕時，它會在表面產(chǎn)生微小的磁鐵。

研究人員認為，之所以會出現(xiàn)這種鐵磁特性，是因為壓痕會對層狀材料產(chǎn)生應(yīng)變，并改變其能量分布。鎳磷三硫化物材料中的電子自旋最初是隨機的，相互抵消，通過壓痕排列，產(chǎn)生了鐵磁性。

Htoon說：“因此，原則上，如果你把二硒化鎢放在鎳磷三硫化物上，我們應(yīng)該看不到任何效果——實際上，在我們的第一個實驗中，我們確實什么都沒看到。Htoon說：“因此，原則上，如果你把二硒化鎢放在鎳磷三硫化物上，我們應(yīng)該看不到任何效果——實際上，在我們的第一個實驗中，我們確實什么都沒看到?！?/p>

正如Htoon所說，壓痕最初是為了使頂層材料通過量子約束過程發(fā)射光子，當電子被包含在一個小空間中并被激光激發(fā)時，就會產(chǎn)生光子發(fā)射。但幸運的是，壓痕過程也賦予了該器件鐵磁性。因此，研究人員能夠制造出一種既能發(fā)射光子又能誘導(dǎo)光子偏振的單一設(shè)備。

目前，誘導(dǎo)的光子偏振是隨機的，無法控制哪些光子將表現(xiàn)出右圓偏振或左圓偏振。但Htoon預(yù)測，光子極化最終可能會被調(diào)制，例如，通過使用微波或電來操縱它們。這增加了創(chuàng)造一種高效、經(jīng)濟高效的設(shè)備的可能性，這種設(shè)備不僅可以產(chǎn)生偏振光子，還可以精確地指定偏振應(yīng)該是什么。

Htoon說：“在這種情況下，我們將得到一個完全‘二合一’的設(shè)備——一個可以產(chǎn)生光子并同時對其進行編碼的設(shè)備。這將是未來的方向?！?/p>