科学家研制出首块单光子路由器

2011-8-25 16:03 来源: 中国科学院
收藏到BLOG

  据美国物理学家组织网8月22日报道,瑞典和西班牙科学家联合研制出首块在单光子层面工作的路由器,其由一个“人造原子”制成,他们还成功演示了内嵌于一条传输线中的该路由器如何将单个光子从一个输入端口运送至两个输出端口中的一个。科学家们表示,这种单光子路由器未来能作为量子信息网络中的量子节点,为其提供基本的数据处理和路由。

  瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家佩尔·戴辛和克里斯·威尔逊领导的科研团队与西班牙国家研究委员会的科学家携手完成了这项研究,结果发表在《物理学评论快报》杂志上。

  相比于电子,对光子进行控制和引导更加困难,这主要是因为光子不像电子那样拥有强烈的相互作用,因此,目前的路由器大多使用电子。然而,量子隧道的一个重要要求是粒子能在长距离上分发数据,光子“天生”能比原子等其他量子系统行进更远的距离,因此,在量子信息网络中用光子做信息载体效果更好。

  为了建立这个单光子路由器,科学家们使用一个超导量子位(量子计算机中的最小信息单位)作为“人造原子”(尽管这个量子位实际上由几个原子组成,但它拥有离散的能量状态,像真正的单个原子)。接着,科学家们将这个量子位耦合到一个一维的传输线上,微波光子能够沿着这个传输线行进。随后,科学家们在其上持续施加一个微弱的光子探针,有时候也补充一个更强烈的控制脉冲。如果没有这束强烈的控制脉冲,人造原子会反射入射的光子,入射光子会行进到输出端口1。当这束强烈的控制脉冲出现时,它会引起电磁诱导透明(EIT)现象,致使原子对这束微弱的探测光束变得透明,导致光子旅行到输出端口2。采用这种方式,科学家能将入射光子引导到两个输出端口中的一个。

  戴辛表示,这是首块在单光子层面工作的路由器,且其消光效率可达99.6%,这表明,光子可有效地耦合到路由器上并被很好地控制。而且,其切换时间(入射光子从一个端口切换到另一个端口的时间)仅为几纳秒。另外,这种路由器很容易进行扩展,以使其具有更多输出端口,这一点对它用作量子点必不可少。

  戴辛指出,除了主要运用于未来的量子计算机网络中,这种路由器对于研究也非常有用,例如,可用来将单光子源的光子分发到同一块芯片上的几个实验中,让科学家使用同束光线进行更多实验。