在过去的二十年中，量子信息科学领域取得了巨大的进步。科学家正在利用量子力学的奇异性质来解决计算和通信以及传感和测量精密系统中的难题。该领域的研究途径之一是光量子信息处理，它使用光子-具有独特量子特性的微小光粒子。

进行量子信息科学研究的关键资源将是可以有效而可靠地产生单光子的来源。但是，由于量子过程本质上是随机的，因此创建按需产生单个光子的光子源在每个步骤都面临挑战。

现在，伊利诺伊大学物理学教授Paul Kwiat和他的前博士后研究员Fumihiro Kaneda(现为东北大学跨学科科学研究所助理教授)已经建立了Kwiat认为的“世界上最高效的单光子源”。并且他们仍在改进它。通过计划的升级，该设备可以以前所未有的效率产生多达30个光子。这种口径的来源正是光量子信息应用所需的。

研究人员的最新发现已于2019年10月4日在线发表在《科学进展》上。

Kwiat解释说：“光子是光的最小单位：爱因斯坦于1905年提出这一概念，标志着量子力学的到来。今天，光子已成为量子计算和通信领域中的一种提议资源，它的独特性质使其成为光子学的极佳候选者。充当量子位或量子位。”

Kaneda补充说：“光子移动迅速-完美地实现了量子态的长距离传输-并且在我们日常生活的常温下表现出量子现象。”“量子位的其他有希望的候选物，例如被俘获的离子和超导电流，仅在孤立和极冷的条件下才稳定。因此，按需单光子源的开发对于实现量子网络至关重要，并且可能实现小型室温量子处理器。”

迄今为止，有用的先驱单光子的最大产生效率一直很低。

为什么?量子光学研究人员通常使用称为自发参数下转换(SPDC)的非线性光学效应来产生光子对。在设计的晶体中，在包含数十亿个光子的激光脉冲中，单个高能光子可以分为一对低能光子。产生一个光子对非常关键：检测到两个对中的一个(将其破坏)以“预示”另一个光子源的单光子输出的存在。

但是要实现从一个光子到两个光子的量子转换是万无一失的。

Kwiat指出：“ SPDC是一个量子过程，并且不确定源是否会产生任何东西，或产生一对或两对。”“产生一对精确的一对单光子的概率最多为25%。”

东北大学跨学科科学研究所金田文弘教授。Kaneda是伊利诺伊大学香槟分校物理系Kwiat小组的前博士后研究员。

Kwiat和Kaneda使用称为时间多路复用的技术解决了SPDC中的这种低效率问题。对于每次运行，SPDC源均等间隔地脉冲40次，产生40个“时间仓”，每个“时间仓”可能包含一对光子(尽管这种情况很少见)。每次产生一个光子对时，该对中的一个光子就会触发一个光开关，该光开关将姊妹光子路由到光延迟线(由反射镜创建的闭环)中的临时存储中。通过了解光子何时进入环路(何时检测到触发光子)，研究人员确切地知道在将光子切出之前要保持多少个周期。以这种方式，无论在这40个脉冲中的哪个产生了该脉冲对，所存储的光子总是可以同时被释放。一旦发生所有40个脉冲，

Kwiat评论说：“将各种不同的可能性，所有不同的时间段映射到一个，这极大地提高了您看到事物的可能性。”

脉冲源40次基本上保证每次运行至少产生一对光子。

而且，光子存储在其中的延迟线每个周期的丢失率仅为1.2%;因为源被脉冲了很多次，所以低丢失率至关重要。否则，很容易丢失前几个脉冲中产生的光子。

当最终释放光子时，它们将以高效率耦合到单模光纤中。这是光子需要在量子信息应用中有用的状态。

Kwiat指出，以这种方式产生光子所带来的效率提高是显着的。例如，如果某个应用程序要求使用12光子源，则可以排成一行6个独立的SPDC源，并在它们各自同时产生一对时等待事件。

Kwiat指出：“目前，使用这些多个光子状态的世界上竞争最好的实验必须等待大约两分钟，直到它们发生一次这样的事件。”“他们每秒以8000万次的频率跳动-他们正在非常非常频繁地尝试-但他们每隔两分钟就会收到一次此事件，其中每个源都精确地产生一对光子。

“我们可以根据速率计算出能够产生类似结果的可能性。实际上，我们的行驶速度要慢得多，因此，我们仅每2微秒进行一次尝试-他们尝试了160次是我们的效率的两倍。但是由于使用多路复用技术我们的效率要高得多，因此我们实际上每秒能够产生大约4,000个12光子事件。”

换句话说，Kwiat和Kaneda的生产率提高了约500,000倍。

但是，正如Kwiat指出的那样，仍有一些问题需要解决。一个问题源于下转换过程的随机性：有可能产生多个光子对，而不是单个光子对。此外，由于此实验中使用的下变频处理效率相对较低，因此以较高的速率“驱动”了信号源，从而增加了生成此类多余的多对信号的可能性。

即使考虑到潜在的多光子事件，该实验的效率水平也是世界纪录。

那么下一步是什么，Kwiat团队将如何解决这些罕见的不需要的多光子事件?

目前在Kwiat研究小组工作的研究生Colin Lualdi正在研究用光子数解析探测器升级光源，该探测器将在触发延迟线存储多光子事件之前将其丢弃。这种改进将完全消除多光子事件的问题。

Kwiat团队正在进行的另一个研究领域将提高单光子源设备各个部分的效率。Lualdi认为，未来的改进将推动单光子生产的速度远远超过当前的实验。

Lualdi解释说：“最终目标是能够准备单一的纯量子态，我们可以用它们来以超越经典方法的方式来编码和处理信息。”“这就是为什么这些源产生单个光子非常重要。如果源意外地生成两个光子而不是一个，那么我们就没有所需的基本构件。”

为了能够利用这些光子量子位执行任何有意义的量子信息处理，需要大量的电源。

正如Kwiat所说，“该领域正在超越仅用一两个光子进行实验。人们现在正在尝试对10至12个光子进行实验，最终我们希望拥有50至100个光子。”

Kwiat推断，这项工作所取得的进步可以为高效产生30多个光子的能力铺平道路。Kwiat和Kaneda的研究结果使我们更加接近实现光量子信息处理的现实。