量子物理最新突破：按下按鈕就能產生穩定單光子

電荷是現代計算科學的關鍵。它使得我們能夠精確地生成，監測和控制電流。當我們瞎想著置身於一個充滿量子計算的世界時，我們必須提醒研究者們，沒有必要去將所有的理論統一到一個等價的基本框架中。每一個我們所研究的框架都有一系列缺陷，而這些缺陷卻足以讓其他所有框架成立，儘管他們也會存在一些問題。

對光量子計算機來說也是同樣道理。光量子計算機需要單個的光子，而現在我們用來產生單光子的光源有點…怎麼說呢，糟透了。我們需要的，理想上是一個能夠單獨產生所需單光子的設備，如果說這個要求太高，那麼至少這個設備能夠做到一按下按鈕就可以有能夠穩定產生單光子的電流出來。

現在一個來自德國的研究團隊已經聲稱做到了這一點。

光子的產生方法

產生單光子源有兩種基本方法：隨機產生和故意產生。

隨機生成的方法是使用一個參量放大器，用一種顏色光源去產生另一種顏色光源。如果正確設置放大器，那麼每個輸入光脈衝有足夠的力量來產生一對光子，然後通過極化使其分離。由於這個過程是偶然的，所以說這一過程會受到大量隨機雜訊的影響。這種方法通常會能夠得到單光子，但是經常也會什麼也得不到，而有時又是得到多個光子。它的可取之處在於，你可以宣稱我們製造得這一對光子，其中的一個單光子是可以用於計算的。

故意產生法則需要使用類似單個原子或者分子，並不停的激勵它。因為它是一個單個的物體，以這種方式被激勵也只會發生一種狀態轉變，即它有且只有可能發射出單光子。

但是，結果是這些源，即提到的單個原子和分子，以及量子點和其他具有類似屬性的物體並不是那麼的聽話。受到激發以後，這些分子和量子點會向任意方向發射光。即使你以規律的方式激勵它們，也無法保證它們能夠產生一束可供使用的均勻單光子束。

除此之外，還有一個問題就是上述方法中，它們受激勵後無法發射同一顏色的光，所以，當你把一個單量子點放入一個光腔試圖捕捉到它發射的所有光子時，你可能會發現它發射的光根本就是這個光腔無法捕捉到的。這個問題非常常見以至於研究者們通常將冷凍的液態氙或硝基放入光腔中去調諧他的頻率，從而最終使其能夠捕捉到所發射出的光。這一方法理論上是可行的，但是這並不是一種可控並可量產的製造流程。

說到製造工藝的問題，量子點和類似的其他發射子，他們的製造過程只會給你一系列隨意擺放的發射子。這意味著，發射子被製造出來以後，你必須掃描整個晶片然後找到所有可用的發射子，然後再在這些隨機放置的有利用價值的點周圍設計所有的光路和電路。這與一個理想的製造過程的原則又是背道而馳的。

所以簡而言之，你可以用一個會產生一定可接受範圍內雜訊的方法來製造單光子，或者你可以用一個具有更高確定性但無法控制光子顏色和發射來自方向的方法產生單光子。需要記住的是兩個方法都有缺陷。

從某種意義上來說，最近的研究是上述兩種方法的混合版本。研究者用一個半導體納米管替代了隨機分布的量子點。半導體納米管發出一組合理定義的波長，並且其發射過程是部分確定的。它的原理是，導通狀態的電子由於納米管中存在雜質而發生散射，衰變成不導通狀態，在這一衰變的過程中它將會發射出一個光子。

換句話說，我們擁有了一個非隨機分布的、按下按鍵可以發射方向確定的光子的辦法。這正是量子物理所需要的。

這項設計還可應用於另外一個非常有趣的實驗。因為光在波導中只會以兩種方向發射——右到左或是左到右，自然而然的可以想到，只需要在納米管的兩個埠都放置一個光電轉換器，就可以檢測是否有單光子產生。而又因為光從納米管左右兩端發射出去的概率是等同的，所以當兩端的光電檢測器同時檢測到有光通過時就說明此時產生的並不是我們想要的單光子。

近日，科研人員宣稱所研發出的單光子源正是基於以上原理，但是與之相比又稍稍有些複雜，因為實際中他們將光電檢測器植入了波導內部。科研人員證實，只要注入電流不太高，半導體碳納米管將會是一個非常有效的單光子發射器，而且由於納米管的半導特性，金屬（導體）碳納米管（比如白熾燈泡中的燈絲）也同樣可以用於產生光電子，只不過在這種情況下產生的不是單光子。

但是無論如何，單光子的產生還是存在很大的隨機性，有時你可以得到想要的結果，但卻不會總是如願以償，而且你找不到究竟是哪裡出了問題。然而這僅僅是由於單光子應用的一方面。

單光子的發射是來源於納米管中的雜質造成的散射現象，如果只存在一個單獨的雜質，那麼就有可能通過強電流衝擊來確定得到一個單光子。在任意給定時間間隔下，一個單獨的散射現象將會發生，從而產生一個單獨的光子。而且，如果將發射器的各項參數都正確設置，你可以非常確定的說我們可以這一過程（散射現象）控制為單個發生，而不會是多個同時。

但是，困難在於沒有人知道在一個給定的納米管中到底有多少雜質存在。所以必須將注入電流減弱到最大只有可能在一個雜質上會發生散射，發射出光子。在這點上說，新研發出的光子發生器更像是一個類似參量振蕩器的東西而非量子點（振蕩器）。

統計學就是個噩夢

然而，他們的實驗還存在一個更加根本性的問題：他們的統計假設是建立在納米管中的雜質是互不影響的這一前提下的。如果拿一個量子點來說，我們知道，用一個電子顯微鏡觀察，一個單獨的量子點被激勵時，從量子點工作原理來說它只可能產生一個單獨的光子。

類似的情況也適用於參量放大器中：從光產生的原理來看，我們知道存在著產生不止一對光電子的可能性，但是由於測量過程是獨立的，所以他們的統計假設的前提——發射過程和測量過程是互不影響的——是成立的。

但是如果是碳納米管，其中可能存在著很多雜質，所以可能有不止一個光子被產生。實際上，這一可能性是發生的，在實驗數據中可以很明顯的看出。但是，一個無法被考慮進去的情況是，一個雜質上發生的散射有可能會激發出第二個雜質上的散射。如果是這種情況的話，納米管任然會在一個單獨方向內隨機的發射出光子，這也可以看做是一個單光子的發射。

所以說，一個雜質上的沿某個方向的（散射）發射很有可能觸發第二個雜質上的同一方向的（散射）發射。這可以說，違背了測量背後的基本假設前提。但是這可以說明他們並沒有成功研製單光子源嗎？實際上也不能這樣否定。

目前為止，所以的證據都證實了一個單光子源的成功研製，但是也同樣需要一個額外的測量實驗去確保雜質之間的的相互觸發不會造成太大的影響。所有的這些都是必要的，由於研發團隊必須在波導的更深處放置第二個分束器來檢測光子的產生，而不是簡單的直接測量。如果這一裝置得到了與理論相符的結果，那麼我們就可以知道雜質之間是沒有相互作用的。

這真的是一個可用的單光子源嗎？答案是肯定的，而且還是一個非常理想的單光子源。它的使用效果要優於量子點，同時又比參量放大器更加簡單，而且，波導晶元加上集成探測器和開關的組合，可能是量子計算的最佳選擇了。

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