物理学家利用单光子创建复杂的光结构

博士生Petr Steindl使用单光子创建复杂的光结构。十几岁时，他想学习捷克诗歌，但最终选择了量子物理学。他说：“回想起来，我很高兴自己换了一个专业”。7月5日，他将为关于量子光学和量子点系统的论文进行答辩。

Steindl说：“简单地说，量子点是半导体材料的一个小岛。因为它只有几纳米的大小，所以它感觉量子效应，就像一个原子一样”。研究人员将这个量子点放置在光学微腔中，以更有效地操纵它。

Petr Steindl在实验室中

“你可以把这个空腔想象成两个面对面的镜子。激光在它们之间来回反射。量子点不喜欢与光相互作用，但光学腔使它更有可能，因为激光多次经过量子点。”

在房子里像砖块一样使用单光子

Steindl解释说：“这种巧妙的装置可以用来制造单光子。谐振激光将量子点中的一个电子从其基能态激发到更高的能级。当它回到基态时，量子点发出一个光子。微腔方便地将光子指向我们装置的其余部分。然而，挑战在于将光子从激光中分离出来。它的波长与激光相同，但偏振度略有不同。你可以利用这个特性来分离光子。在攻读博士学位期间，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(光粒子)时，它就有点像一块砖。有了砖块，你可以开始盖房子了。我的目标是结合单个光子来构建复杂的光结构。例如，我们创建了一个由几个纠缠光子组成的链。纠缠意味着它们是如此紧密地联系在一起，以至于你不能再独立地描述一个光子。我们想更好地了解这些新的光状态。”

单光子的物理学

单光子物理是一个相对较新的领域。在20世纪70年代，物理学家第一次成功地分离出了光子。然而，这些单光子源还不是非常高效或鲁棒。像在光学微腔中使用量子点这样的技术发展，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以高速喷射，确保它更好地保持其状态。这就产生了高质量的单光子，非常适合施泰因德尔所研究的结构。

量子技术的优势

斯坦德尔说：“我们的愿景是最终将这些新颖的光结构用于量子通信。我们知道单光子对安全和身份验证很有用。例如，你可以在分束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状态到达，或者不是同时到达，你就知道有窃听者。”

这项研究也可能对建造量子计算机有用。其中一个基本组件是量子门，但它们很难制造。对于斯坦德尔所研究的结构，这些是不必要的。

斯坦德尔说：“我发现建造这些轻型结构完全令人惊讶。有可能做到这一点的事实令人难以置信。我们能如此深入地理解物理。虽然它很迷人，但对我来说，量子应用的潜力几乎像是一个副作用。从文学转向量子也许是一大步，但它已经足够令人兴奋，我花了好几年的时间，我还没有厌倦。”

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