创造单光子源的能力将大大推进目前正在开发的许多基于量子的技术,如量子计算、量子通信以及增强的成像和传感技术。然而,生产按需发射一个光子并具有可调节重复性的光源并不是一项简单的任务。
欧洲计量研究计划(EMRP和EMPIR)内的项目支持应对这一挑战。
EMRP量子技术单光子源项目(EXL02,SIQUTE)首次基于钻石中的氮价中心对单光子源进行了全面的计量表征。
在此基础上,作为新量子标准的EMPIR项目单光子源(17FUN06,SIQUST)开发了一套新的金刚石单光子发射器,包括注入锡(Sn)、铅(Pb)、硅(Si)和锗(Ge)等离子的发射器。还研究了单光子量子点,包括有史以来第一个基于砷化铟镓(InGaAs)的量子点,用于校准单光子探测器。根据这项工作,该项目开发了两种便携式单光子源,除了用于校准外,还可以用于量子密钥分布测试床。
一种新的量子防护测量方法
除了第一个表征单光子源的标准化技术以及如何提供常见的不确定性估计程序外,该项目还首次实现了一种新的量子测量范式,该范式有可能在量子领域产生巨大影响。
在量子水平上,光子可以以一种以上状态的“叠加”形式存在。测量光子会导致这种“相干性”崩溃为一种或另一种状态。换句话说,测量量子系统会影响系统的结果。结果是,有必要检测统计上显著数量的光子,以获得感兴趣的测量可观测值的忠实估计。
新方法利用了一种称为量子齐诺效应的现象。这预测,如果一系列重复的测量足够快速和平滑,那么这将保持叠加,而不是使其崩溃。
在新的量子“保护性测量”范式中,单个偏振光子被“制备”并通过一系列仪器发送,如双折射晶体和偏振板。光子与每个光子的相互作用较弱,经历了一个“相互作用-干涉-选择”过程。如果它存活下来,它就会作为一个新的“准备好的”相干光子出现。由于已知幸存光子的特性(例如偏振),这起到了间接可观察到的作用,在没有直接测量的情况下提供光子状态的信息,并且简单地利用其在x/y平面中的位置信息提供状态的“指针”。
理论上,光子可以被发送通过无限多个这样的“选择”阶段,从而获得每个阶段的状态信息。
这是保护性测量的首次实现,证明了其保持系统状态相干性的能力,同时从单光子测量事件中提取可观测值的期望值。
尽管新范式仅处于原理验证阶段,但这项工作为其在量子计量和传感中的应用铺平了道路。
此外,该项目发表了46篇开放获取文章,在121次会议上发表,并提供了9个培训课程。
量子计量的单光子和纠缠光子源项目(20FUN05,SEQUEM)的工作仍在继续,该项目专注于单光子水平测量所需的协议和仪器。
这些EURAMET项目的工作预计将加强欧洲在量子技术领域的地位,促进密码学、通信、天文学和健康等领域的新发展,并有助于改进国际单位制光坎德拉的实践。
该EMPIR项目由欧盟地平线2020研究和创新计划和EMPIR参与国共同资助。
EMRP联合研究项目是EURAMET欧洲计量研究计划的一部分。EMRP由EURAMET内的EMRP参与国和欧盟共同资助。