這是光子槍的一個示意圖。量子點（黃色符號）每次發(fā)射一個光子（紅色波包）。該量子點嵌入在一個光子晶體結(jié)構(gòu)中，該光子晶體結(jié)構(gòu)通過在半導(dǎo)體材料中蝕刻孔洞（圖中黑色圓形符號）而獲得。由于這些孔洞，光子不能在所有方向上發(fā)射，而是只能沿著通過省略一些孔洞來形成的波導(dǎo)發(fā)射。

先進的納米結(jié)構(gòu)正在對基于光的量子網(wǎng)絡(luò)的量子技術(shù)進行革新。尼爾斯波爾研究所的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了第一個構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜量子光子回路所需要的基本單元。量子網(wǎng)絡(luò)的這一快速發(fā)展在科學(xué)期刊《自然》的一篇文章中進行了突出顯示。

基于光（光子）的量子技術(shù)被稱為量子光子學(xué)，而電子學(xué)是以電子為基礎(chǔ)。光子（光粒子）和電子在量子水平上的表現(xiàn)非常不同。量子實體是微觀世界中最小單元。例如，光子是光的基本組成部分，電子是電流的基本組成部分。電子是所謂的費米子，可以很容易被分離出來，從而以一次一個電子的形式傳導(dǎo)電流。相反，光子是玻色子，它喜歡擠在一起。但是由于基于光子的量子通信的信息是編碼在單個的光子內(nèi)，因此有必要以每次一個的方式來發(fā)射和發(fā)送它們。

增加信息容量

基于光子的信息有很大的優(yōu)勢；光子與環(huán)境的相互作用非常微弱——這一點與電子不同，所以光子不會在路上丟失太多的能量，因此可以遠(yuǎn)距離傳輸。因此，光子非常適合攜帶和分發(fā)信息，基于光子的量子網(wǎng)絡(luò)將能夠比現(xiàn)有的計算機技術(shù)加密更多的信息，而且這些信息不會在途中被截獲。

世界上的許多研究小組正在這一研究領(lǐng)域進行大量的研究，該領(lǐng)域現(xiàn)在發(fā)展迅猛，實際上，第一批商業(yè)量子光子學(xué)產(chǎn)品正在開始生產(chǎn)。

控制光子

量子網(wǎng)絡(luò)的先決條件是能夠根據(jù)需要來產(chǎn)生單光子流，而尼爾斯玻爾研究所的研究人員成功地做到了這一點。

“我們開發(fā)出了一種光子芯片，它就像一把光子槍一樣。該光子芯片由一個非常小的晶體構(gòu)成，它只有10微米寬和160納米厚。嵌入在芯片中間的是一個光源，這就是所謂的量子點。

用激光照射量子點將會激發(fā)一個電子，該電子然后可以從一個軌道跳到另一個軌道，從而一次發(fā)出一個光子。光子通常可以往所有方向發(fā)射，但該光子芯片的目的是使所有的光子都通過一個光子波導(dǎo)進行發(fā)射，”Peter Lodahl解釋說，他是哥本哈根大學(xué)尼爾斯波爾研究所量子光子學(xué)研究組組長。

經(jīng)過一個長期而艱苦的過程，該研究小組進一步開發(fā)和測試了該光子芯片，直到其達到極致效率，Peter Lodahl解釋說，令他們特別驚訝的是他們甚至可以得到一種以前沒想過有可能的光子發(fā)射的方式。正常情況下，光子在光子波導(dǎo)中會沿著兩個方向進行傳輸，但在他們定制化的光子芯片中，他們可以打破這種對稱性，并使該量子點區(qū)分向左和向右發(fā)射光子，這意味著可以發(fā)射定向光子。這意味著對光子的完全控制，研究者們開始探索如何基于這項新發(fā)現(xiàn)來構(gòu)建完整的量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

“這些光子可以通過光纖來進行遠(yuǎn)距離傳輸，它們可以幾乎沒有損失地通過光纖。你有可能能建立起一個網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中光子將小的量子系統(tǒng)連接在一起，從而使這些小量子系統(tǒng)連接在一起形成一個量子網(wǎng)絡(luò)——量子互聯(lián)網(wǎng)，”Peter Lodahl解釋道 。

他補充說，雖然第一個基本功能已經(jīng)實現(xiàn)，但是現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)是將其擴展到大型復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)上。