新技术可在不同量子点上生成孪生光子

不同量子点发出相同光子的示意图。（University of Basel, Department of Physics）

物理学家发明了一种技术，从不同的量子点生成完全一样的光子，为研发量子互联网奠定了基础。

完全相同的两个光子在量子物理学上有重要的用途，但是要生成一样的光子技术难度大。这些光子不仅要有一样的波长，或者说它们的颜色一样，它们的形状和偏振特性也要相同。

一个由瑞士巴塞尔大学（University of Basel）和德国波鸿鲁尔大学（Ruhr University Bochum）合作的研究组所发明的新技术能够从完全分离的量子点产生完全一样的光子。

量子点是半导体内只有几个纳米大的结构。被困在这种结构中的电子只能在特定的几个能级之间跳跃。电子在不同能级之间跃迁的时候，会发光。研究人员利用激光脉冲刺激电子在能级之间转换，从而产生光子。他们制成的设备通过按动一个按钮，即可产生光子。

主要研究者之一博士后研究员翟连（Lian Zhai，音译）说：“近年来其他研究人员也用不同的量子点造出光子，但是要用光学过滤器从中挑选最相似的光子。”用这种旧办法选出的相同的光子数量很有限。

新研究先用纯度极高的砷化镓制造量子点，高纯度的材料使得造出的量子点之间的差异达到最小的程度。研究人员再用电极给这些量子点施加完全一样的电场。电场改变了量子点的能量级，这个过程中量子点所发出的光子有着完全一样的波长。

研究人员再使用一个半镀银（half-silvered）的镜子证明所产生光子的一致性。这种镜面镀层的厚度很特殊，使得一半的光线能够穿过，一半的光线被反射。实验显示，不论是穿过镜面还是被反射回来的光子都是成对的。研究称，这表明这些光子的相似度达到了93%，也就是说尽管这些光子从不同的来源地诞生，但是它们就像孪生版一样。

利用这些光子，研究人员成功地构建了“可控非门”（CNOT gate）。可控非门是建造量子电脑的重要基础模块，也叫量子逻辑门。这种逻辑运算门是实现量子算法的基础，能够比现在的电脑更快地处理特定的问题。

合作研究者吉安·阮（Gian Nguyen）说：“现在我们所造出的完全相同的光子的比例大约为1%。但是我们已经有了更好的办法，将来还能够进一步提升产率。”

这份研究5月19日发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊。