淺析新型光子偏振片照亮量子通信之路

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）的研究人員開(kāi)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(chǎng)，使系統(tǒng)發(fā)射的光子極化。如果擴(kuò)大規(guī)模，這種方法可能會(huì)加速量子通信的實(shí)現(xiàn)。

量子通信使用光子來(lái)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(jì)算機(jī)通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉電流來(lái)編碼信息，但量子計(jì)算機(jī)是通過(guò)改變每個(gè)光子的電磁波的方向來(lái)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(lái)獲得新的通信特征，比如量子網(wǎng)絡(luò)固有的安全性。

開(kāi)發(fā)一種有效的改變光子偏振的方法是實(shí)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(jí)結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。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(guò)改變光子的能量狀態(tài)來(lái)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(shuō)，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)這樣的磁鐵消耗了大量的能量，需要一個(gè)房子大小的發(fā)電機(jī)。

該研究的研究人員通過(guò)將過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)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(lái)源。因?yàn)楣庾影l(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(shuō)，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(dāng)使用原子力顯微鏡在雙層設(shè)備上布滿納米級(jí)壓痕時(shí)，它會(huì)在表面產(chǎn)生微小的磁鐵。

研究人員認(rèn)為，之所以會(huì)出現(xiàn)這種鐵磁特性，是因?yàn)閴汉蹠?huì)對(duì)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(jī)的，相互抵消，通過(guò)壓痕排列，產(chǎn)生了鐵磁性。

Htoon說(shuō)：“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(shí)際上，在我們的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們確實(shí)什么都沒(méi)看到。Htoon說(shuō)：“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(shí)際上，在我們的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們確實(shí)什么都沒(méi)看到?！?/p>

正如Htoon所說(shuō)，壓痕最初是為了使頂層材料通過(guò)量子約束過(guò)程發(fā)射光子，當(dāng)電子被包含在一個(gè)小空間中并被激光激發(fā)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光子發(fā)射。但幸運(yùn)的是，壓痕過(guò)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(jī)的，無(wú)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(cè)，光子極化最終可能會(huì)被調(diào)制，例如，通過(guò)使用微波或電來(lái)操縱它們。這增加了創(chuàng)造一種高效、經(jīng)濟(jì)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(shuō)：“在這種情況下，我們將得到一個(gè)完全‘二合一’的設(shè)備——一個(gè)可以產(chǎn)生光子并同時(shí)對(duì)其進(jìn)行編碼的設(shè)備。這將是未來(lái)的方向。”

審核編輯：劉清