瑞典和西班牙科學(xué)家聯(lián)合研制出首塊在單光子層面工作的路由器，其由一個(gè)“人造原子”制成，他們還成功演示了內(nèi)嵌于一條傳輸線中的該路由器如何將單個(gè)光子從一個(gè)輸入端口運(yùn)送至兩個(gè)輸出端口中的一個(gè)。科學(xué)家們表示，這種單光子路由器未來能作為量子信息網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點(diǎn)，為其提供基本的數(shù)據(jù)處理和路由。
瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的物理學(xué)家佩爾·戴辛和克里斯·威爾遜領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)與西班牙國家研究委員會(huì)的科學(xué)家攜手完成了這項(xiàng)研究，結(jié)果發(fā)表在《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》雜志上。
相比于電子，對(duì)光子進(jìn)行控制和引導(dǎo)更加困難，這主要是因?yàn)楣庾硬幌耠娮幽菢訐碛袕?qiáng)烈的相互作用，因此，目前的路由器大多使用電子。然而，量子隧道的一個(gè)重要要求是粒子能在長距離上分發(fā)數(shù)據(jù)，光子“天生”能比原子等其他量子系統(tǒng)行進(jìn)更遠(yuǎn)的距離，因此，在量子信息網(wǎng)絡(luò)中用光子做信息載體效果更好。
為了建立這個(gè)單光子路由器，科學(xué)家們使用一個(gè)超導(dǎo)量子位（量子計(jì)算機(jī)中的最小信息單位）作為“人造原子”（盡管這個(gè)量子位實(shí)際上由幾個(gè)原子組成，但它擁有離散的能量狀態(tài)，像真正的單個(gè)原子）。接著，科學(xué)家們將這個(gè)量子位耦合到一個(gè)一維的傳輸線上，微波光子能夠沿著這個(gè)傳輸線行進(jìn)。隨后，科學(xué)家們?cè)谄渖铣掷m(xù)施加一個(gè)微弱的光子探針，有時(shí)候也補(bǔ)充一個(gè)更強(qiáng)烈的控制脈沖。如果沒有這束強(qiáng)烈的控制脈沖，人造原子會(huì)反射入射的光子，入射光子會(huì)行進(jìn)到輸出端口1。當(dāng)這束強(qiáng)烈的控制脈沖出現(xiàn)時(shí)，它會(huì)引起電磁誘導(dǎo)透明（EIT）現(xiàn)象，致使原子對(duì)這束微弱的探測(cè)光束變得透明，導(dǎo)致光子旅行到輸出端口2。采用這種方式，科學(xué)家能將入射光子引導(dǎo)到兩個(gè)輸出端口中的一個(gè)。
戴辛表示，這是首塊在單光子層面工作的路由器，且其消光效率可達(dá)99.6%，這表明，光子可有效地耦合到路由器上并被很好地控制。而且，其切換時(shí)間（入射光子從一個(gè)端口切換到另一個(gè)端口的時(shí)間）僅為幾納秒。另外，這種路由器很容易進(jìn)行擴(kuò)展，以使其具有更多輸出端口，這一點(diǎn)對(duì)它用作量子點(diǎn)必不可少。
戴辛指出，除了主要運(yùn)用于未來的量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，這種路由器對(duì)于研究也非常有用，例如，可用來將單光子源的光子分發(fā)到同一塊芯片上的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，讓科學(xué)家使用同束光線進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)。
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