物理学家利用光来构建复杂的结构
发布时间：2023-07-06 08:00:00 阅读数： 58
彼得-斯泰因德尔。资料来源：莱顿大学
博士生彼得-斯泰因德尔利用单光子创造出复杂的光结构。十几岁的时候，他想学习捷克诗歌，但决定选择量子物理学。"他说："回顾过去，我很高兴我转换了领域。7月5日，他将进行关于量子光学和量子点系统的论文答辩。
"简单地说，一个量子点是一个半导体材料的小岛，"Steindl说。"因为它只有几纳米大小，所以它能感受到量子效应，就像一个原子一样。" 研究人员将这种量子点放在一个光学微腔中，以便更有效地操纵它。
"你可以把这个空腔想象成两面相互对峙的镜子。激光在它们之间来回跳动。量子点不喜欢与光互动，但光腔使其更有可能，因为激光多次经过该点。"
像砖头一样使用单个光子的房子
这个巧妙的装置可以用来创造单光子，Steindl解释说。"共振激光器将量子点中的一个电子从其基态能量状态激发到一个较高的能量状态。当它回落到基态时，量子点发射出一个单光子。微腔方便地将这个光子引向我们装置的其他部分。然而，挑战在于如何将这个光子与激光分开。它具有与激光相同的波长，但偏振略有不同。你可以利用这一特性来隔离这个光子。在我的博士期间，我探索并改进了这项技术。"
获得单光子只是Steindl研究的第一步。"他说："当你拥有高质量的单光子--光的粒子--它有点像一块砖头。"有了砖头，你就可以开始建房子了。我的目标是结合单个光子来构建复杂的光的结构。例如，我们创建了一个由几个纠缠的光子组成的链条。纠缠意味着它们是如此紧密地联系在一起，以至于你无法再独立地描述一个光子与另一个光子。我们想更好地了解这些新的光的状态。"
单一光子的物理学
单光子物理学是一个相对较新的领域。在20世纪70年代，物理学家首次成功地分离出一个光子。然而，这些单光子源还不是非常有效或强大。技术的发展，如在光学微腔中使用量子点，使得控制单光子的产生变得更加容易。
微腔的另一个好处是，光子被高速射出，确保它更好地保持其状态。这导致了高质量的单光子，很适合于斯泰因德尔所研究的结构。
对量子技术的好处
斯坦德尔说，其愿景是最终将这些新型光结构用于量子通信。"我们知道，单光子对安全和认证很有用。例如，你可以从分光器的不同位置发送两个相同的单光子。如果这些光子以改变的状态或不同时到达，你就知道有一个窃听者。"
这项研究也可能被证明对建造量子计算机有用。一个基本组件是量子门，但它们很难制造。有了Steindl所研究的结构，这些就没有必要了。
"我发现建造这些光结构完全令人惊讶，"Steindl说。"有可能做到这一点的事实是令人难以置信的。我们可以在如此深的层次上理解物理学。虽然这很吸引人，但量子应用的潜力对我来说几乎是一个副作用。从文学转向量子也许是一个很大的步骤，但它已经足够令人兴奋，花了几年时间，我还没有厌倦。"
