新型光子偏振片照亮量子通信之路

XIANGZHI LI/LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的研究人员开发了一种技术，可以比现有方法更容易、更便宜地产生偏振光子。该技术使用原子力显微镜在原子薄材料的两层堆叠中形成压痕。压痕产生小磁场，使系统发射的光子极化。如果扩大规模，这种方法可能会加速量子通信的实现。

量子通信使用光子来携带信息，就像经典通信使用电子一样。但是，虽然经典计算机通过打开或关闭电流来编码信息，但量子计算机是通过改变每个光子的电磁波的方向来编码信息的，即光子的偏振。以这种方式编码信息可以利用叠加和纠缠等量子现象来获得新的通信特征，比如量子网络固有的安全性。

开发一种有效的改变光子偏振的方法是实现量子通信的基本步骤之一。目前的方法既复杂又昂贵。有些需要非常高的精度，例如将量子发射器（发射单光子的设备）与能够影响其偏振的纳米级结构连接起来。其他的需要大量的能量，比如冷却到液氦温度的巨型磁铁，它可以通过改变光子的能量状态来诱导光子极化。洛斯阿拉莫斯综合纳米技术中心的科学家、该研究的合著者Han Htoon说，洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个这样的磁铁消耗了大量的能量，需要一个房子大小的发电机。

该研究的研究人员通过将过程简化为一个既能发射光子又能影响光子偏振的单一设备，大大降低了光子偏振的复杂性和能量使用。该器件由两种超薄材料堆叠而成：顶层由二硒化钨组成，这种材料因其量子发光特性而常用；底层由镍磷三硫化物组成，它非常稳定，也为器件提供了重要的磁性来源。因为光子发射得离铁磁性材料很近，所以这种磁性足以引起光子偏振。

Htoon说，奇怪的是，镍磷三硫化物通常缺乏任何铁磁性。但研究人员发现，当使用原子力显微镜在双层设备上布满纳米级压痕时，它会在表面产生微小的磁铁。

研究人员认为，之所以会出现这种铁磁特性，是因为压痕会对层状材料产生应变，并改变其能量分布。镍磷三硫化物材料中的电子自旋最初是随机的，相互抵消，通过压痕排列，产生了铁磁性。

Htoon说：“因此，原则上，如果你把二硒化钨放在镍磷三硫化物上，我们应该看不到任何效果——实际上，在我们的第一个实验中，我们确实什么都没看到。Htoon说：“因此，原则上，如果你把二硒化钨放在镍磷三硫化物上，我们应该看不到任何效果——实际上，在我们的第一个实验中，我们确实什么都没看到。”

正如Htoon所说，压痕最初是为了使顶层材料通过量子约束过程发射光子，当电子被包含在一个小空间中并被激光激发时，就会产生光子发射。但幸运的是，压痕过程也赋予了该器件铁磁性。因此，研究人员能够制造出一种既能发射光子又能诱导光子偏振的单一设备。

目前，诱导的光子偏振是随机的，无法控制哪些光子将表现出右圆偏振或左圆偏振。但Htoon预测，光子极化最终可能会被调制，例如，通过使用微波或电来操纵它们。这增加了创造一种高效、经济高效的设备的可能性，这种设备不仅可以产生偏振光子，还可以精确地指定偏振应该是什么。

Htoon说：“在这种情况下，我们将得到一个完全‘二合一’的设备——一个可以产生光子并同时对其进行编码的设备。这将是未来的方向。”