量子突破：多功能金属膜如何改变光子学

量子突破：多功能金属膜如何改变光子学用于任意塑造二维六方氮化硼量子发射的多功能金属膜的艺术插图。资料来源：ChiLi、JaehyuckJang、TrevonBadloe、TieshanYang、JoohoonKim、JaekyungKim、MinhNguyen、StefanA.Maier、JunsukRho、HaoranRen、IgorAharonovich。量子发射是实现光子量子技术的关键。固态单光子发射器（SPE），如六方氮化硼（hBN）缺陷，可在室温下工作。它们因其坚固性和亮度而备受青睐。从SPE收集光子的传统方法依赖于高数值孔径(NA)物镜或微结构天线。虽然光子收集效率很高，但这些工具无法操控量子发射。要对发射的量子光源进行任何所需的结构化处理，都需要多个笨重的光学元件，如偏振器和相位板。在最近发表在《eLight》杂志上的一篇新论文中，莫纳什大学的ChiLi博士和HaoranRen博士领导的一个国际科学家团队开发出了一种新型多功能金属膜，用于构造SPE的量子发射。以不同空间形式任意变换光束的能力对于量子光源来说至关重要。元表面改变了光子设计的面貌。它带来了从光学成像和全息技术到激光雷达和分子传感的重大技术进步。最近，人们设计了将纳米级发射器直接集成到纳米结构谐振器和元表面的方法，以收集和演示对SPE发射的基本定制。这些最初的演示证明了平面光学在推动量子发射操纵方面的必要性。研究小组通过设计和制造一种多功能金属膜来解决这一问题。韩国物理学家JaehyuckJang博士、TrevonBadloe博士和浦项科技大学的JunsukRho教授制造出了这种新型金属膜。它可以同时调整方向性、极化和轨道角动量（OAM）自由度。他们利用金属离子演示了在室温下从氢化硼中的固相萃取物（SPEs）进行量子发射的多维结构化。研究小组展示了量子发射方向性的任意塑造。他们还表明，可以在金属感曲线上添加不同的螺旋波面，从而在SPE的正交极性中产生独特的OAM模式。这项突破性的实验工作由IgorAharonovich教授领导的悉尼科技大学和TMOS（澳大利亚研究理事会卓越中心）完成。所展示的多自由度量子发射任意波前整形技术可以充分释放固态SPE的潜力，将其用作先进量子光子应用的高维量子源。该团队的新技术提供了一个新平台，利用超薄元光学器件在室温下实现多自由度量子发射的任意波前整形。它可能为量子信息科学领域提供新的见解。研究小组认为，操纵光子的偏振可以改善滤波效果，从而对量子密码学和纠缠分发产生重大影响。偏振分离对于未来利用氢化硼SPE生成偏振纠缠光子对至关重要。金属膜的未来扩展可实现高维单光子混合量子态的产生。未来将结构化SPE源与可靠的传输环境（如光纤）进行整合，将有望实现信息容量更大、抗噪声能力更强、安全性更高的量子网络。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376677.htm

MPQ团队利用单个铷原子产生了数量破纪录的量子纠缠光子簇

MPQ团队利用单个铷原子产生了数量破纪录的量子纠缠光子簇在2022年8月24日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，来自马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的一支团队，详细介绍了一种高效驱动光量子纠缠的新方法。虽然听起来有些违反直觉，但数十年来的量子实验已经充分证明——无论相距多远，改变其中一个结对粒子的状态、就会同步改变另一粒子的状态。一个铷原子被困在一个由两个高反射镜组成的光学谐振器中（渲染图，来自：MPQ）受量子纠缠现象的启发，近年来已有大量团队投入新兴商业技术的开发。真空状态下的光学谐振器，单个铷原子被困于支架内的锥形镜之间。以量子计算器为例，其中纠缠的例子，就可用于存储和存储信息的量子比特。研究配图1-实验设置/协议概述为实现最佳效果，量子计算机需要用到能够产生大量粒子、并将之纠缠到一起的装置，但这显然并非易事。研究配图2-GHz状态好消息是，MPQ研究人员找到了一种更可靠的量子纠缠方法，并成功地将14个光子纠缠到了一起——这也是迄今为止规模最喜人的“光子簇”。研究配图3-集簇状态具体说来是，研究团队从单独的铷原子开始上手，将它困在一个以特定模式反射电磁波的光学腔中。当被特定频率的激光击中时，原子就被赋予了准备就绪的给定特定。研究配图4-测得N光子重合率接着研究人员向它发射另一调制脉冲，以使原子发射一个与它纠缠的光子。通过重复该过程，原子便可在每个光子发射之间旋转，直到产生一整条相互纠缠的“光子链”。扩展数据图1-详细的实验序列更棒的是，该过程较现有技术的效率更加出众——产生光子的时间占比超过43%，近乎每两次光脉冲就能产生一个光子。扩展数据图2-奇偶性振荡尽管对于长期关注量子纪录的朋友们来说，14个纠缠量子可能听起来不算多——毕竟此前科学家已设法通过气体实验、实现了数万亿个原子的纠缠——但此类系统并不适用于量子计算机或量子通信。扩展数据图3-发射器的相干特性相比之下，通过常规技术手段产生的光子，其量子应用也要简单得多。更何况这项新技术颇具效率优势，意味着后续能够轻松扩展光子的产量。下一步，MPQ团队计划开展至少利用两个原子的新实验。扩展数据图4-vSTIRAP过程引发的失真最后，有关这项研究的详情，已发表于近日出版的《Nature》期刊上，原标题为《Efficientgenerationofentangledmultiphotongraphstatesfromasingleatom》。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309989.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309989.htm

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者PeterZoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.htm

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面桑迪亚国家实验室和马克斯-普朗克研究所的科学家们已经开发出一种方法，它可以使用比平时简单得多的设置来生产量子纠缠光子网。其关键则是一个厚度只有纸的1/100的精确图案表面，它可以取代一屋子的光学设备。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1316551.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1316551.htm

MIT率先推出用于光学量子计算机和通信远程传输设备的量子光源

MIT率先推出用于光学量子计算机和通信远程传输设备的量子光源 该结果于6月22日发表在《自然光子学》杂志上，论文作者为麻省理工学院研究生AlexanderKaplan、化学教授MoungiBawendi和其他六人。显微成像显示钙钛矿纳米晶体的尺寸均匀性。图片来源：研究人员提供大多数量子计算概念都使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子位，构成此类设备的基础。但大约二十年前，一些研究人员提出了使用光而不是物理物体作为基本量子位单元的想法。除其他优点外，这将消除对复杂且昂贵的设备来控制量子位以及输入和提取数据的需要。相反，普通的镜子和光学探测器就足够了。“有了这些类似量子位的光子，”卡普兰解释道，“只要你有适当准备的光子，只需‘家用’线性光学器件，你就可以建造一台量子计算机。”这些光子的准备是关键。每个光子都必须与前一个光子的量子特性精确匹配，等等。一旦实现完美匹配，“真正重大的范式转变就是从需要非常奇特的光学器件、非常奇特的设备，转变为只需要简单的设备。需要特别的是光本身。”然后，他们采用这些彼此相同且无法区分的单光子，并使它们相互作用。这种不可区分性至关重要：如果有两个光子，并且“它们的一切都是一样的，你不能说第一和第二，你就无法以这种方式跟踪它们。这就是让他们能够以某些非经典方式进行互动的原因。”卡普兰说：“如果我们希望光子具有这种非常特殊的属性，即在能量、偏振、空间模式、时间以及所有我们可以用量子力学编码的东西上有很好的定义。”他们最终使用的来源是一种铅盐石钙钛矿纳米粒子。卤化铅钙钛矿薄膜作为潜在的下一代光伏发电而受到广泛关注，因为它们比当今标准的硅基光伏发电更轻，更容易加工。纳米颗粒形式的卤化铅钙钛矿以其极快的低温辐射率而闻名，这使它们有别于其他胶体半导体纳米颗粒。光发射得越快，输出就越有可能具有明确的波函数。因此，快速的辐射速率使卤化铅钙钛矿纳米颗粒能够独特地发射量子光。为了测试它们产生的光子确实具有这种不可区分的特性，标准测试是检测两个光子之间的一种特定类型的干涉，称为红欧曼德尔干涉。卡普兰说，这种现象是许多基于量子的技术的核心，因此证明它的存在“已成为确认光子源可用于这些目的的标志”。很少有材料能够发出符合这项测试的光。“它们几乎可以用一只手列出来。”虽然他们的新源尚不完美，仅在大约一半的情况下产生HOM干扰，但其他源在实现可扩展性方面存在重大问题。“其他来源之所以一致，是因为它们是用最纯净的材料制成的，而且它们是一个接一个、一个原子接一个原子地单独制成的。因此，可扩展性和再现性都很差，”卡普兰说。相比之下，钙钛矿纳米粒子是在溶液中制成的，然后简单地沉积在基材材料上。“我们基本上只是将它们旋转到一个表面上，在这种情况下只是一个普通的玻璃表面，我们看到他们经历了以前只有在最严格的准备条件下才能看到的行为。因此，尽管这些材料可能还不完美，“它们的可扩展性非常好，我们可以制造很多。而且它们目前还没有得到优化。我们可以将它们集成到设备中，并且可以进一步改进它们，”卡普兰说。在现阶段，这项工作是“一个非常有趣的基本发现”，展示了这些材料的功能。“这项工作的重要性在于，希望它可以鼓励人们研究如何在各种设备架构中进一步增强这些功能。”而且，通过将这些发射器集成到称为光学腔的反射系统中，就像其他光源所做的那样，“我们完全有信心将它们集成到光学腔中将使它们的性能达到竞争水平。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1367293.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1367293.htm

量子技术的新基石：量子点和扭曲光

量子技术的新基石：量子点和扭曲光通过量子点源设计基于粒子内和粒子间轨道角动量纠缠态的灵活平台方案。资料来源：NicolòSpagnolo量子点：桥梁技术量子点（QDs）是一种具有巨大潜力的微小粒子。来自罗马萨皮恩扎大学、巴黎萨克雷大学和那不勒斯费德里科二世大学的研究团队将OAM的特性与量子点的特性相结合，在两种尖端技术之间架起了一座桥梁。他们的研究成果发表在同行评审金牌娱乐《先进光子学》（AdvancedPhotonics）杂志上。拟议协议的概念方案。以近乎确定性的方式操纵由QD光源产生的单光子的偏振和OAM，通过q板使两个自由度相互作用，产生粒子内纠缠态。在粒子间机制中，两个光子在由偏振和OAM组成的混合空间中以特定状态为特征，通过分束器发生干涉。通过对重合次数的后选择，实现了一个概率纠缠门。资料来源：AlessiaSuprano创新在哪里？他们建造的这座桥可以灵活地用于两个目标。首先，它可以制造在OAM偏振空间内纠缠的纯单光子，研究人员可以直接对其进行计数。其次，这座桥还能制造量子世界中强相关的光子对。它们是纠缠在一起的，因此每个单光子的状态都不能独立于另一个光子的状态来描述，即使它们相距甚远。这对量子通信和加密来说意义重大。这个新平台有可能在粒子内部和粒子之间创建混合纠缠态，所有这些都属于高维希尔伯特空间。一方面，研究小组实现了纯单光子的产生，其量子态在混合OAM极化域内表现出不可分离性。通过利用几乎确定性的量子源与q板（一种能够根据单光子偏振调整OAM值的设备）的结合，研究人员可以通过单光子计数直接验证这些状态，从而避免了预示过程的需要并提高了生成率。另一方面，研究小组还利用单光子内部的不可分性概念作为资源，生成在混合OAM偏振空间内具有纠缠性的单光子对。罗马萨皮恩扎大学物理系量子信息实验室主任FabioSciarrino教授对此评论说："提出的灵活方案代表着高维多光子实验向前迈进了一步，它可以为基础研究和量子光子应用提供一个重要平台。"对量子技术的影响从本质上讲，这项研究标志着在追求先进量子技术的道路上迈出了重要一步。这就好比连接了两座大城市。这种连接为量子计算、通信以及更多领域带来了令人兴奋的可能性。因此这不仅是科学，更是未来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396377.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396377.htm