紀念墨子號：光量子通信的科普

關於量子衛星的發射已經馬上就要一周年了，去年本月的16日我國量子衛星升空。為了紀念這一令人懷念的大事件，本文介紹光子的量子化通信原理。雖然光子被稱為光量子，但是其量子態卻極易被破壞。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子(如電子和夸克)相比，光子沒有靜止質量(愛因斯坦的運動質量公式m=m0/sqr[1-(v/c)]中，光子的v
= C，使得公式分母為0，但光子的運動質量m具有有限值，故光子的靜止質量必須為零。這就是使得量子通信中光子傳播和接收必須經過專門的密鑰分配。

所有早期量子計算研究都是利用光開展的。光易於操縱，只需幾面鏡子、幾塊晶體和光線探測器，就等於擁有了一台晶體計算機。但在過去20年間，情況早已改變，幾乎所有重大進展都是利用離子、超導電流環或晶體缺陷取得的。

這是一種合理的進步。要進行邏輯運算，必須以一種量子態為基礎、對另一種量子態進行修改。然而，一道光波從另一道光波旁飛過時，往往徑直而過，路徑沒有絲毫動搖，更別提停下來「交流」了。兩個帶電離子則恰好相反，其中一個的量子態會對另一個造成強烈影響，因此邏輯運算會簡單得多。

問題在於，能夠輕易改變的量子態也容易被環境破壞。相比之下，光的量子態就頑固得多。這已經由兩地通過通過衛星開展的量子密鑰分配得到了驗證。

因此，光量子態仍對量子計算具有重要意義，不過它們大多被當作各地之間的信息載體。在每個位置上，光的量子態會被轉化成其它狀態、從而展開運算。不過，如今科學家研發出了一種特殊的物質結構，使光線之間可產生強烈的相互影響。這樣一來，就不再需要上述轉化過程了。

互相無視的光子

那麼，光子為何如此「孤芳自賞」呢?問題在於，它們必須通過某種介質才能交流。當光線穿過玻璃時，光場會使玻璃中的全部電子發生振動，從而減慢光的傳播速度。光的減慢程度表現為材料的折射率。我們通常認為，折射率與光的亮度無關。如果加強光照強度，電子會振動得更加劇烈，但並不會改變光線穿過介質的軌跡，也就是說，折射率沒有變化。

然而，如果光線亮度很高，電子振動的幅度就會超出一般範圍。電子平時和原子綁定在一起，因此振動幅度有一定限制。一旦光線亮度使電子振動幅度急劇增加，光照強度就會改變介質折射率。光線穿過介質的路徑改變後，各種奇怪的現象便會隨之發生，如出現新的顏色、光線開始聚焦、或者光脈衝變得更加短暫密集。

如果將玻璃塞在兩面鏡子中間，這些奇特的效應便會更加明顯。科學家讓一道黯淡的光線通過前鏡「滲漏」進來，鏡子之間的距離決定了哪種顏色的光線能夠進入中間的縫隙。特定顏色的光線會在鏡子間來回反射。隨著越來越多的光線通過空隙滲漏進來，光線亮度逐漸累積加強。與此同時，光線還會透過第二面鏡子的空隙滲漏出去。

過了一會兒，進來的光線與出去的光線數量相等，便達到了均衡狀態。此時看來，所有照射在第一面鏡子上的光線似乎都穿過了空隙，沒有一道被反射回去。從第二面鏡子漏出的光線亮度與射在第一面鏡子上的光線相當，鏡子之間的光線更是極為明亮。鏡子的反射性越強，鏡子之間的光線就越亮。從效果上來看，兩面鏡子之間的空間就相當於一個光線儲藏室。

如果光線足夠明亮，就會改變鏡子間介質的折射率，從而改變可進入兩面鏡子中間的光線顏色，因此永遠達不到前面描述的均衡狀態。事實上，光線一開始雖然沒被第一面鏡子反射，但隨著鏡子間光線的亮度不斷增加，第一面鏡子忽然開始反射光線了。從效果上來看，等於光自己改變了光線的走向。

這正是光量子計算機的目的：由光線來改變光線狀態。

「亮度」是研究中的常見主題。要達到很高的亮度，就需要很多、很多的光子。但量子態是以單個光子的形式儲存的，亮度也就無從談起。正因為如此，光量子計算機的研製一直停滯不前。

兩進一出

為此，科學家展開了新一輪材料研究。他們希望能打造一種高度敏感的結構，單個光子也能改變其性能。這可以用單個原子來實現。假設宇宙中有一個固定不動的原子，還有一把能發射單個光子的「噴槍」。這把槍百發百中，每個光子都能射中原子。此外，我們可以選擇光子的顏色，讓其滿足使原子從基態躍遷到激發態的能量間隔。

單個光子擊中原子後，原子會將該光子吸收，過了一段時間後，再朝任意方向「吐」出一個相似的光子。但如果我們接連向原子發射兩個光子，原子就只會吸收第一個光子，第二個光子則會徑直穿過，相當於一個光子掌控了另一個光子的必經之路。和前文的例子相反，這裡只需單個原子便可產生預定效果，正好滿足我們的需求。

但現實中的原子不會停在原處不動，除非用其它原子將它圍困住。原子也不會隨意吸收任何顏色的光線，只吸收自然界為其選定的顏色。更糟糕的是，原子體積非常小，光子擊中原子並被吸收的概率自然也很小。宇宙令我們大失所望，我們需要尋找更適合的原子。

點狀原子

這裡涉及到量子點的概念。量子點是一種微型球狀材料。這些小球的體積極小，如果向其中通入電流，每次只有一個電子能進進球中。每個電子都會堵住下一個電子的入口，量子點中包含的單個「自由」電子的表現與原子中的電子無異。但和原子不同的是，不同能級之間的間隔由球體的大小決定。換句話說，量子點就像「大師定製」的原子。由於量子點比一般的原子大得多，因此更容易被光子擊中。

研究人員將量子點置於兩面鏡子中間。整套裝置十分迷你，鏡子用的是直徑幾微米的微型晶柱，兩面鏡子間僅間隔幾百納米。這還不是最特殊的，畢竟這樣的裝置隨處可見。

這項新研究的特殊之處主要有兩點。首先，研究人員採用一種特殊的製造技術，將量子點置於靠近間隔正中的位置。其次，由於每個量子點都有些許不同，他們在上面安裝了電極，對量子點的能級進行調整，使量子點吸收和發射的光線顏色與鏡子間空隙要求的顏色相符。

想像一下這樣的畫面：將一束光照在微型晶柱上，它的顏色剛好滿足鏡子間距的要求。這束光透過鏡子，在兩面鏡子間來回反射。突然，量子點吸收了某個光子，達到了激發態，改變了它的折射率。鏡子忽然開始反射光線。而用單個光子也能達到同樣的效果。

我們將一道平均含有不到一個光子的光脈衝照射在鏡子上。這平均不到一個光子透過鏡子、在當中來回反射。一旦被吸收之後，鏡子便開始反射光線，下一個打在鏡子上的光子便只能原路返回。

單光子鏡子的優勢

單光子鏡子有什麼優勢呢?它可以用來製造一連串單個光子。可以這樣解釋：假如有一台激光發射器，每隔幾納秒可產生一道光脈衝。我們逐漸降低它的強度，讓每道脈衝中平均僅含有一個光子。但這並不算單光子光源。如果能數一數每道脈衝中的光子數量，會發現有的脈衝中根本沒有光子，有的脈衝則含有兩個或更多光子，只有少數脈衝含有一個光子。光子不會與彼此交流，但它們喜歡結伴而行。

要想連續發射單個光子，也許還要進一步降低光束強度，讓每10道脈衝中含有一個光子。但即使如此，還是會有少數脈衝中含有兩個以上的光子。

但假如讓平均每秒發射一個光子的光脈衝照射在上述設備上，反射回來的光脈衝的確與光子數量一一對應。說得更精確些，原本含有兩個以下光子的光脈衝在反射之後便只剩下了一個光子，含有兩個以上光子的光脈衝在反射後則擁有不止一個光子。這是因為量子點最多只能吸收一個光子，因此要想從一道光脈衝中去除一個以上的光子十分困難。

但這還僅僅是開始而已。這還有助於光子門的研究，即讓一個光子改變另一個光子的狀態。雖然此次研究中未涉及這一點，但相信很快便會有科學家展開相關研究。

最令人激動的是，此次研究中運用的技術還可以用於光集成電路。我們可以將一道脈衝激光打在起點處，第一道設備先將其轉化成一連串的單個光子，再將它們送往光子門，調整為計算所需的量子態。接下來，這些光子會被送往不同的微型晶柱，改變彼此的狀態、進而展開運算。整套流程的運行十分高效。

這項進展令科學家激動不已。實驗裝置製作精良，不存在隨機缺陷。且研究人員使用的是壽命較長的光子，不那麼轉瞬即逝。光子向來是傳遞量子信息的絕佳載體，今後或許還能用它們展開高效運算。

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