单光子的产生助力实现大规模分布式量子计算网络

（来源：MIT News）

剑桥大学的研究人员开发了一种通过在专门设计的发光二极管（LED）中移动单电子来产生单光子的新技术。这项技术发表在《自然通信》杂志上，可以帮助发展新兴的量子通信和量子计算领域。

光子源的重要性

单个光子（光的基本粒子）可以承载数百公里的量子信息。因此，可以产生单个光子的光源是许多量子技术中的重要组成部分。到目前为止，研究实验室已经利用半导体中的自组装量子点（Quantum Dots ）和金刚石中的结构缺陷制成了单光子源。由于这些点和缺陷的形成是一个随机过程，因此很难预测这些单光子源的位置和光子能量（或波长）。这种随机性可能会对将光子源集成到大型量子网络中时构成挑战。

信息传送的原理

研究人员表明，他们可以以不同的受控方式生成单个光子，而无需量子点或缺陷，通过一次只移动一个电子与一个“空穴”（在充满的电子“带”中丢失的电子）重新结合来实现。

想象一下，尝试通过以下方式在墙上发射蓝色或红色的球流来发送一条数字消息。带有球形凹痕的传送带将一系列白色的球拖到斜坡上，然后使球从坡顶掉下。在剑桥大学攻读博士学位的Tzu-Kan Hsiao博士解释说：每个球在下落时都会加快速度，然后当它反弹到墙边或越过墙壁时被喷成蓝色或红色（取决于消息）。

由于传送带上的凹口每个只能承载一个球，所以一次仅有一个球会被喷涂颜色，因此不可能存在这种情况，即当有一些球被窃听者截获而接收端的人没有注意到球的丢失，而如果有时一次传送两个或多个球，则窃听者可以捕获其中一个球或者多个球而接收者毫无察觉。这样，某些消息可能会被无意间泄露。

在实验中，研究人员使用行业通用的制造工艺在砷化镓（GaAs）表面附近制造了一个器件。该研究小组负责人Christopher Ford教授说，这种装置由一个靠近空穴区域的电子区域和一个介于两者之间的狭窄通道组成。

为了一次只传输一个电子，我们沿表面发射声波。在砷化镓中，这种``表面声波''还会产生伴随的电势波，其中每个最小电势仅携带一个电子。像传送带一样，电势波将单个电子一个接一个地带到孔的区域。当每个电子在下一个电子到达之前迅速与空穴复合时，就会生成一系列单光子。

每个单光子可以被给予两个偏振器中的一个来携带信息，这样窃听者就不能在没有被检测到的情况下拦截信息。

在量子计算中的应用

该研究成果除了作为一种新颖的单光子源之外，更重要的是，使用这种新技术还可以将电子自旋的状态转换为光子的极化状态。通过使用单个光子作为“飞行”量子位来桥接基于半导体的量子计算机，可以实现建立大规模分布式量子计算网络的宏伟目标。

作者 | DingD 编辑 | Sakura

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