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量子光学

量子光学

物理学家从钻石戒指中提取光子

钻石戒指,波导和光栅

美国的物理学家是第一个制造集成设备的公司,该设备可以在光通过波导传输到外界之前,从一小块钻石中提取光子。所有的光子具有相同的频率,并起源于氮空位(NV),当两个相邻的碳原子被氮原子和空的晶格位点取代时,这是钻石中的缺陷。根据研究人员的说法,该芯片可用于创建量子信息技术,例如量子中继器。

对于任何试图构建量子计算机的人来说,NV都是有用的,因为它们具有与周围晶格极为隔离的电子自旋–因此,如果将NV置于特定的旋转状态,则即使在室温下,该NV也会保持该状态一段时间。如果被正确波长的激光激发,NV也只能发射单个光子。综上所述,这些特性意味着NV可以将数据长时间存储在缺陷中,然后再作为单个光子读出。

研究人员对提取不与周围晶格相互作用的光子特别感兴趣,因为这些“zero phonon line”(ZPL)光子具有明确定义的频率。不幸的是,构建基于NV的量子系统中的一个挑战是如何可靠地将ZPL光子从钻石中取出并进入集成光学系统,然后对其进行进一步处理。加州理工学院,惠普公司和华盛顿大学的Andrei Faraon及其同事成功完成的工作就是创建一个能够做到这一点的集成光学系统。

匹配频率

他们装置的核心是仅4.5颗的钻石戒指 μ直径为m,包含NV中心。环位于大约10的波导旁边 μ米长(见图)。将该设备冷却到10K以下,并用绿色激光扫描环,直到找到谐振频率接近环的NV中心。然后,研究小组将稀有气体引入低温恒温器,其中一些气体凝结在环上–改变其共振频率。添加更多气体,直到NV中心和环的频率完全匹配为止。

通过在NV中心发射绿色激光来创建ZPL光子。光子首先在环周围循环,然后跳入波导。然后它们传播到波导的任一端,在那儿,衍射光栅将它们散射出设备,在那里可以用连接到光谱仪和光电探测器的显微镜观察它们。

研究人员发现,他们从这些设备中收集到的ZPL光子比从NV中心收集的不属于集成设备的相似钻石样本中多出25倍。

Faraon认为这项工作是迈向创建集成电路的重要一步,其中ZPL光子将量子信息从一个NV中心传输到另一个NV中心。“我们证明了光子–信息载体–来自单个NV中心的信号可以耦合到光谐振器,然后进一步耦合到光子波导,” he says. “我们希望这种类型的多个设备将在芯片上的光子网络中互连。”

Faraon和他的同事现在想要做的是开发包含多个NV中心的设备,并证明可以使两个NV发出的光子相互干扰–纠缠NV中心的先决条件。一旦实现了纠缠,这些设备便可以用作量子中继器,在不干扰纠缠态的情况下吸收并重新发射纠缠的光子。–如果要远距离传输量子信息,这是必需的。法兰告诉 physicsworld.com 他在惠普公司的同事现在正在研究在同一芯片上纠缠NV中心。

该设备在 新物理学杂志.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者