量子通信翻译
6096字
2021-02-14 00:55
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火星译客

量子计算和量子通信白皮书

根据2018年4月18日在德国奥博科亨举行的蔡司“量子世界中的光学”学术交流会上的讨论。

执行摘要:

量子计算(QC)和量子通信(QCom)具有广阔的商业应用前景。然而,当前这;两种技术都面临着几个技术障碍需要加以克服,以便使其能够广泛商业化应用。在这种情况下,加强产业和学术界的合作和交流势在必行。具体的技术障碍有:

量子计算中面临的技术难点:

1.  量子计算硬件开放存取的有限性

2.  缺乏适配的软件,例如:需要更多的量子计算算法解决实际问题的能力。

3.  对于量子计算工业生产设施访问的权限设置,使得对量子计算更新换代研讨带来的困难。

4.  诸如有限的量子位连通性,过低的门信度及需要对大量的量子位进行校错等的技术难点。

5.  缺少商业基础设施,例如可用的长期风险资本。

6.  人才流失(即知识,人力资源和知识产权的流失)及缺乏知识产权保护。

量子通信中面临的技术难点

1.  在现有光纤基础设施和软件中运行量子密码的技术难点,即,结合量子密码算法和传统密码的技术难点。

2.  量子密码学的优势及其应用领域(长期的安全性)必须有量子通信

应对这些挑战,建议采取以下举措:

1.  更大限度获得工业和政府设施(工业基础设施)。

2.  采取行动促进产业和学术之间展开合作(例如:英国的量子中心)。

在自然科学和工程学科更好合作的指导下,大学课程的学科之间要设置得更加交叉,以便产业和学术之间展开更好的合作。

3.  制定更多的知识保护政策,防止欧洲的人才流失。

4.  发起更多的跨学科研究项目,发展和建立量子密码学,使其成为现代网络安全工具箱中的密码原语。

5.  促进量子工程从技术到商业应用的转移。

前言和简介

如今,量子技术(简称QT)构成了工业许多分支的基本技术。这些分支包括半导体产业中的具有突破性的晶体管技术、通信中的激光和发光二极管、计算机视觉中的图像探测器和全球定位系统中的原子钟。

基于控制一个或者多个量子系统(例如单一原子、单一离子和单一光子)量子态的能力,量子技术的第二次浪潮即将从学术研究转化为商业应用。

尤其是第二次浪潮提供了处理和传送信息的新范例和新方法。

量子计算为计算提供了一种新范式,使得计算,比起使用传统的计算架构,有潜力更快地解决某些计算问题。

量子通信(QCom)为基本安全通信提供了新的加密基元,例如远程方之间的安全密钥交换和真随机数的生成。

本白皮书概述了2018年4月18日在德国奥伯科亨举行的蔡司“量子世界中的光学”研讨会上,工业界和学术界代表就量子计算和量子通信问题进行的讨论。

本白皮书分为四个部分:

1. 质量控制(Quality Control) & 量子通信提供的机会

2. 质量控制&量子通信的现状

3. 商业化道路上的挑战和潜在的阻碍

4. 实现技术商业化所需的措施

质量控制(Quality Control) & 量子通信提供的机会

量子计算至少包括三个技术阶段:量子退火(quantum annealing)、非纠错质量控制和完全纠错质量控制。从一个阶段转到另一个阶段所需的技术更加复杂,但也提供了更多潜在的好处,并使质量控制走向其他应用程序。量子退火为人工智能和物流领域的潜在应用提供了一个解决难题的方案。非纠错质量控制使量子系统仿真能够潜在的应用于化学、医学和材料科学。最后,完全纠错质量控制保证了特定算法的指数速度。潜在的应用包括密码学和数据库搜索。

量子通信使安全通信成为可能。为了实现安全通信,可以使用量子随机数生成器来提供随机数字。量子密匙分配为相距较远的客户端提供了可验证的安全通信,这种安全通信不依赖于与经典密码学相对的计算复杂性的假设。远距离的量子密匙分配根据其所使用的硬件可以形成一个联系的媒介。基于光纤的量子密匙分配能产生作用的最远距离高达300千米。基于卫星的量子密匙分配则把距离扩大到上千米,尽管根据所选择的硬件和距离的不同,有效的密匙率也有很大的不同。与经典的中继器相类似,量子中继器可应用于消除信号中的噪音,并进一步扩展给定硬件平台可达到的距离。更远的距离可以增加网络的复杂性。在一个可信节点网络中,由于可到达的距离有限,发送者(A)仍需依赖于一个可信的中间节点(B)来给远距离的接收者(C)传递信号。但在完全量子网络中,发送者无需任何可信中间节点就可把信息传递给接收者。

量子计算和量子通信的现状

对于量子计算和量子通信来说,量子计算和量子通信研讨会的与会者预估,这两项技术可进行商业化应用的潜力(基于上一节提到的商业化机会)处于中高水平。研讨会的专家进行了一项调查来预估首批技术商品化的时间以及在加德纳技术成熟度曲线上所处的位置。表一展示了这项调查的结果。对量子计算而言,只有质量监测设备已经商业化。根据我们的调查,质量的评估已经度过了“期望膨胀期”,但是无误差修正的量子计算以及有误差修正的量子计算都仍处于“技术触发期”。对无误差修正的量子计算来说,第一批商业化产品有望于六年内上市,而有误差修正的量子计算的商业化至少需要十五年。

量子通信的结果暗示这项技术已进入较为成熟的阶段。我们的调查结果表明,量子随机数自生成器和基于光纤的量子密匙分配已经商业化了,并且已经处于衰退阶段。可信任节点网络的第一批商用化产品有望于四年之后上市。基于卫星的量子密匙分配还要至少七年才能实现商业化。尽管基于卫星的量子密匙分配逼近其“期望膨胀期的顶峰”,但可信节点网络已然度过了这个膨胀器。据预测,量子中继器的第一批产品至少要八年才能问世,只有完全量子网络才能与之匹敌,而我们还需再等十年。与此相评估相一致,这两项技术仍然处于创新的起步阶段。

表1:量子计算和量子通信的技术成熟度曲线。技术下方显示的时间表明了不同技术首次商品化(首批专营商业应用产生)的预期时间。这些预估时间基于量子计算和量子通信研讨会的参与者所做的一项调查。

技术商业化的过程中存在的挑战和潜在的障碍

量子计算和量子通信就其商业应用而言,前景十分广阔。然而,目前这两项技术的发展面临着重重阻碍,而为了进行更广泛的商业化,必须清除这些障碍。有些困难是这两项技术都面临的,有些发展障碍则是这两项技术分别所特有的。总的来说,对于这两项技术而言,缺乏物理学和工程学的跨学科教育使基础研究和真实产品之间的鸿沟很难逾越。那么,工业和学术领域更为密切的交流与合作就势在必行。

对于量子计算来说,量子计算硬件的有限获得渠道以及需要对如何开发量子计算潜力的深层次理解(这也需要更为基础的调查)阻碍了量子软件的发展。而缺少优良的软件(例如,可以解决现实问题的量子计算的算法)也使其缺乏发展的动力。工业生产设备的有限使用使探索量子计算的大规模发展成为难题。最后,我们面临着许多技术上的挑战,例如,量子位的链接有限,浇口精度太低,误差修正所需要的量子位太多。有一些挑战是欧洲的量子计算生态系统所特有的,其中包括:缺乏业务基础设施,例如长期风险投资的可用性、人才流失(即知识,人力资源、知识产权的损失)以及缺乏知识保护。

就量子商业化(QCom)而言,由于沟通和教育方面的差距,广泛采用量子商业化(QCom)的做法受到了阻碍。量子密码学的优点及其应用领域(长期安全)必须清楚地告知量子商业化(QCom)团体。此外,将量子密码体系结构与现有的经典通信设置结合起来仍然很困难,这阻碍了使用这种技术的潜在用户。这涉及到硬件,即在现有光纤基础结构中执行量子加密的难度和软件,即量子密码算法与经典密码学相结合的挑战。由于缺乏跨学科教育,很难弥合经典与量子通信专家之间的差距。一般而言,公众对量子密码学的好处和范围的认识似乎太少。最后,还有一些技术上的挑战,比如缺乏量子记忆技术和基础设施问题,如缺少公认的标准和认证机构。

为使技术商业化而采取的行动

研讨会参与者在公开讨论中拟订了若干行动项目

鉴于量子计算的基础设施问题,它将从工业和政府设施(制造业基础设施)的日益普及中受益。此外,政府作为量子硬件的早期采用者,将使初创企业更容易在初始原型和最终产品之间架起长时间的桥梁。为了实现量子技术商业化的同时,尽快获得一些用于基础研究的投资,需要制定一些保护知识的政策从而防止欧洲的人才流失,技术问题的解决需要获得用于基础研究的持续资金流。随着自然科学和工程人员之间的协调性不断加强,大学课程之间的跨学科联系也会变的更多。

对于量子商业化来说,跨学科之间的研究需要根据网络安全工具箱中的密码原语,开发并建立量子密码。使能技术生态系统和基础研究都需要长期的资金扶持,技术性难题才有可能得以解决。

最后,要实现量子通信和量子商业化,就必须要促进工业界和学术界之间的协作(例如英国的量子中心)。为了突出量子通信和量子在实际应用中的优势,同时也是为了推动技术的应用——举行了“量子世界中的光学”座谈会,这是双方合作过程中的一小步,同时也为今后的进一步合作奠定了基础。

论文1

量子通信:一种工程学方法

摘要

在这篇论文中,我们回顾了近期在构建量子通信系统方面所取得的进展。我们首先讨论了光子的两种来源。其中一种是晕染半导体激光器型光源,另一种是四波混频型光源。然后,我们讨论了适合于光纤量子通信系统的量子态信息编码技术。接下来,我们提出一种非侵入性的技术来控制偏振编码量子通信系统中的随机偏振旋转。最后,我们讨论了一种基于噪声存储模型和使用哈希函数的量子不经意传输协议的实现。

关键词:量子通信系统,量子源,量子协议.

引言

当前光通信系统的信息传输速率似乎接近一个饱和点,主要受非线性香农极限以及光纤熔丝效应的影响。除非引进一些颠覆性的技术,否则在提高现有光通信系统的信息传输速率方面,可预见的未来进展将相对较小。

频谱是一种稀缺资源,在现代光通信系统中,对频谱的合理利用使频谱效率超过10位/秒/赫兹。然而今天,光子作为光的基本粒子还没有被如此巧妙地使用,我们仍然以每光子1×10-4比特的顺序承载少得离谱的信息。然而,最近的结果表明,这个数字可以得到大大提高。

量子通信是一个基于量子态交换的工程领域,它试图利用量子特性来构建具有更大容量和/或新功能的通信系统。本文综述了量子通信系统设计的最新进展。我们首先讨论量子信息源,然后分析不同的信息编码方法,最后讨论量子协议的应用,重点讨论量子无记忆传输的应用。

量子信息源

单光子源通常被认为是理想的量子源。单个光子源是产生脉冲的源,其中平均光子数为1并且方差为零,即所有脉冲具有光子,并且具有零个、两个或更多光子的脉冲的概率为零。这类光源的发展一直是研究的热点,但目前存在的单光子源由于其系统极其复杂,不适合应用于实际的量子通信系统。如今,真正的单光子源可以占据整个实验室,它们的运作需要一个专业的技术人员团队。其用途仅限于实现基础物理实验,这些实验允许观察量子理论预测的若干结果,并为量子理论的验证和使科学界普遍接受做出了贡献。然而,也有近似于这个理想光源的其他光源可以用于实际的量子通信系统。在大多数光纤量子通信系统中使用的是基于弱激光或四波混频过程的光源。

弱激光源

接近单一光量子源最简单的方式是使用强昏暗激光源目前,外部调制半导体激光能够允许脉冲在高光谱纯度下高速传输。光量子源所提供的数据遵循泊松分布原则,它的变化等于光量子的平均数。过度削弱这种源生成的信号,那么两个或者多个光量子产生出脉冲的可能性十分小。然而,这种可能性越小,那么不借助光量子获得脉冲的可能性就越高。在极度削弱的情况下,这些源适合某些系统,在系统中能够不借助任何光量子产生脉冲,并且在系统中,利用两个或者多个光量子来形成脉冲这很关键。这些源和派生状态相近,在极度削弱且连贯状态下的分支状态。这些源广泛用于实际量密钥分配系统通常,量子密钥分配系统会使用这种源,因为它们切实可行,稳定牢靠,易与系统的其他部分融合。在量子关键分配系统中,每个脉冲上的光量子的中间值很低,为了确保有两个或者多个光量子存在的脉冲的可能性小于0.005,人们通常这使用的值是大约0.1。在这一情况下,我们认为大约平均十分之九的脉冲没有光量子,例如不会造成探测器上任何撞击。同时还有信号所经历的光削弱,在光纤中传播时,保证单一光量子两次撞击这是必要的,为了使错误撞击的可能性最小化,这严格限制了目前量子关键分配系统中关键交换律。

四波混合源

四波混合是发生在光纤中的非线性过程。其中来自于一个相对较强的信号泵,被歼灭了。同时产生了两个其他的光量子。一个光量子比泵的频率更高,另一个光量子的频率更低。为了保证能量交换,两个光量子都在与泵相关的频谱中。

四波混合过程发生在刺激的或者自发的发射体系,而且为光处理设备探测出来,也就是在参数放大器,波长转换器和量子信号源中。这是我们感兴趣的应用。利用四波产生光量子的优势之一在于光量子早已在光纤中产生,这有助于与光纤传输渠道更好地结合。

在受激过程中,信号中的一个光子导致泵浦中的两个光子湮灭,由于受激发射的相干性,产生光增益。与受激四波混合过程同时发生的还有自发四波混合和拉曼散射过程。当自发衰变过程占主导地位时,这三个过程的组合产生热统计源,当受激过程占主导地位时,产生泊松统计量。描述光子源的优点之一是二阶相关函数,它假定理想的单光子源为零,假定泊松源为1,热源为2。

在基于受激四波混合源的情况下,理论表明,假设量子描述,二阶相关函数的值总是大于或等于一个具有相同结果的函数,并通过实验验证。这表明基于受激四波混频过程的源的统计量与弱激光源的统计量趋于一致。

图1所示。基于自发四波混频过程,研究了四种不同波导损耗系数的CHSH参数随源中泵浦与信号场波长失谐的演化规律。

然而,当考虑自发四波混合过程时,得到了更有趣的结果。在这种情况下,有可能产生一个条件源,其中一个光子预示着另一个光子对的存在。这是一个很有实用价值的源,因为它从理论和实验上证明了二阶相关函数可以得到一个几乎为零的值,从而接近理想的单光子源。自发四波混频的另一个实际应用是产生纠缠态。当两个或两个以上的粒子在物理上是可分离的,却只能用一个波函数来描述时,就会产生纠缠态,而这个波函数不能被写成与每个粒子相关的单个波函数的乘积,这样一个粒子上的作用就会立即影响另一个粒子。纠缠态可以用来增加量子密钥分配系统的范围,也可以作为通过连续纠缠来创建量子中继器的基本机制。由四波混合过程自发产生的两个光子的纠缠可以通过在两个正交偏振信号的萨尼亚克回路中反向传播来实现。然而,光纤中纠缠态的产生受到波导衰减和拉曼散射过程的强烈制约。纠缠光子对源的质量可以通过违反克劳瑟、霍恩、希莫尼和霍尔特(CHSH)不等式的程度来评估。我们实验室的一项实验使用了非线性系数10.5 W-1∙km-1、长150米的一根光纤,实验中我们发现了其对CHSH不等式的强烈破坏,从而证明了在光纤[6]中使用四波混频可能产生纠缠态。从图1可以看出,损失系数越大,CHSH参数值越大。然而,当泵浦与信号场之间的波长失谐值较大时,由于四波混频过程效率的损失,CHSH参数趋于减小。这表明高质量的纠缠光子对源需要进行精细的参数优化。

在量子信号中编码信息

人们可以用多种方式以量子态编码信息。实验中最常用的两个方法,也是我们将在本篇内讨论的方法,是光子偏振和光子相位的调制。偏振通常用单光子探测器来直接探测,即计数探测器的点击次数。相位通常用零差检测来测量。

在光纤传输过程中,极化不被保留,因此必须在系统中加入某种形式的极化控制,以补偿光纤双折射引起的随机极化旋转。然而,为了保存量子态所携带的信息,量子信号的极化控制必须以非侵入性的方式进行。基于对系统的量子误码率(QBER)的估计,我们开发了一种非侵入式自动极化控制系统,见图2,它适用于实际量子通信系统,允许系统的连续运行,即使纤维暴露在严重的机械应力下。

图2. 基于量子误码率(QBER)估计的极化控制系统原理图。EPC –电子极化控制器; PBS – 偏振射束分裂器; SPAP– 单光子雪崩探测器。

在光子相位中对信息进行编码,不需要极化控制系统,而需要光载波来提取相位信息。该载波可以与量子信号共同传播,也可以在接收端局部生成。我们展示了最近使用在接收器处本地生成的载波所获得的结果,并辅以检测后数字信号处理以补偿频率和相位错位。

量子协议

量子通信协议已经通过离散和连续变量实现,例如分别使用极化和相位编码。离散变量系统往往以较低的速率运行,但影响范围较大。相反,连续变量系统允许更高的速率但更小的距离。

到目前为止,使用量子通信技术最成功的两个应用是随机数产生器和密钥分配器。然而,还有一些其他应用可以从量子技术中获益。

遗忘转移(OT)是一种基本暗码,起初用于多方安全计算。OT有多个应用程序,这些应用为挖掘隐私数据到不受信任方之间签署合同提供支持。

然而,对于大多数应用程序来说,传统的OT实现起来相当缓慢。

如图3所示,基于连续变量的量子OT,有可能实现非常高的运行速率,顺序为1×109 s-1,具有非常高的安全性。我们一直在探索在噪声存储模型下使用量子技术和哈希函数生成OT运行流。

噪声存储模型假设在不丢失信息的情况下不可能存储大量量子态。虽然这似乎是一个非常现实的假设,并已应用于其他一些领域中,但它确实可以被删除,使用哈希函数来确保量子测量在信息披露之前就已经执行。

图3.用于实现量子遗忘传输协议的连续可变量子系统。

CW - 连续波; BS - 光束分离器; PBC - 偏振光束组合器。

结论

量子通信仍处于起步阶段。该领域的进展会加深人们对光通信系统中基本物理方面的信息传输的理解。量子通信系统具有一种潜力,可以通过利用光子作为信息载体的量子特性来增加光学通信系统的容量以及增添新功能。量子随机数发生器和量子密钥分发系统是现阶段比较成熟的应用,已经进入了商业化阶段。然而,其他应用预计很快也会出现。其中,量子OT是一个主要的候选方案,因为与经典的OT相比,量子具有其能实现的更高的潜在速度。

论文2

与卫星进行量子通信

摘要—基于卫星的量子通信将使量子光学信号的长距离,甚至全球量子网络成为可能。我们概述了实施拟议的加拿大量子卫星任务,量子加密和科学卫星(QEYSSat)。我们将会对有效载荷组件的实验室测试,以及建立地面站和飞机之间的量子联系的演示做出总结。这些结果证实了了量子通信接收卫星的可行性。

关键词——量子通信,量子通信卫星,自由空间量子通信,全球量子密钥分发,机载量子接收机

I. 引言 

量子通信基于单个光子,使诸如高安全密码学或高通信密度等应用成为可能,这超出了经典信道的能力。在地面和卫星之间发送的光学信号可以覆盖比在类似的地面链路上要远得多的距离,因为由于缺乏大气散射,在真空中传输损耗很低。因此,目前建立单光子全球范围量子通信的唯一方法是利用地球轨道卫星。

图1:A 单链路卫星可以使量子密钥在全球范围内分布。量子有效载荷(右侧:UTIAS-SFL提出的量子接收卫星概念)被用作可信节点,以支持跨大陆甚至全球的量子密钥分发。卫星与网络A和网络建立了两个独立的地面空间量子链路。

B.将两个密钥的组合信息发送到地面站A和B后,它们生成一个单独的、最终的密钥,只有它们才能访问。(图片:t . jennewein, UW)

团队提出了量子接收卫星任务QEYSSat,这是加拿大航天局考虑的,用于近地轨道(LEO)在大约600公里的高度。

II.显示量子加密与科学卫星可行性的重大里程碑

A.任务目标和科学性

我们研究了量子通信应用的多种场景,以及适用于空间量子关联的基础科学问题。基于低轨卫星通信的量子接收器,如量子加密与科学卫星,最相关的测试是在相对论速度和重力势能差下测量量子纠缠光子——这在地面上是不可能的。经证实,量子接收器也更适合用于量子网络和其他先进量子协议的测试,因为更复杂、要求更高的量子发射器是基于地面的,而更简单的接收技术只能在太空中完成。

B.量子链路和系统性能分析

考虑到衍射、大气吸收、大气湍流、光束漂移等因素的影响,以及量子发射器和量子探测器的光子发射特性,我们对量子光信号在地面和空间的传输进行了数值分析。尤其重视对自然和人造光源的预期背景光子的评估。该结果可以确定技术参数,如望远镜孔径为25 - 40cm,波长为785 nm,以及弱相干脉冲和纠缠光子源的地源性能,每个地源都需要以几百兆赫的速率产生光子信号。有趣的是,纠缠光子源实际上具有一个可变的、可生成速率的光子对,其速率取决于瞬时地面卫星链路。

C. 实验室实验和计算需求

一项台式实验在预期链路损耗下模拟了量子密钥分布,卫星信道的地面损耗高达50分贝(平均)。后续实验表明,即使受有限尺寸、现实误差校正和隐私放大的约束,约100秒的卫星链路短暂接地后,仍足以产生安全密钥。此外,通过对数据处理和经典通信的有效载荷要求进行分析,事实表明量子接收器卫星能够加工处理一定数量的原始数据,因此没有相对适度的处理器,例如以1000兆赫兹运行的反雷达导弹处理。

D. 有效载荷的技术准备

首先要先考虑的是,将量子通信硬件从实验室级原型转换为适合飞行路径的格式。经过多年的发展,有效载荷组件被认为是五分之四的晶体管电阻逻辑。这些组件的总功耗约为30 瓦,质量约为20 千克,可满足对微型卫星级主机的限制。

原型有效载荷包括一个小型集成光子分析器、光学微调系统、单光子探测器和数据采集与处理电子学。在室外试验中展示了所有主要的有效载荷成分,其中最关键的部件单光子探测器已在重复质子辐射、热真空和振动条件下进行了测试。

E.单光子探测器的辐射测试

特别是,质子引起的位移损伤将(显着)增加硅探测器装置中的暗计数率。探测器原型在TRIUMF(不列颠哥伦比亚大学)的两次测试活动中暴露于质子辐射,并表明设备的充分冷却和退火应允许在空间中操作,暗暗计数低至两年,并且性能降低长达10年。

F.移动接收器链接的演示第一部分——Truck

在旨在克服现场执行卫星QKD的工程难度的专门实验中,我们在第一次报告的QKD演示中交换了一个安全密钥,从固定发射器到安装在卡车上的接收器,速度可达40 km / h。主要挑战是在整个通道中主动稳定光子极化,并实现发射器和接收器系统的主动双向跟踪.

G .移动接收机第II部分-飞行器

2016年9月,我们演示了在地面站点的量子密钥和飞机上的量子有效载荷之间的成功传输。有效载荷的光学精细指向机制实现了稳定的量子信号传输,而飞机的角速度约为1度/秒,类似于LEO卫星的预期速度。尽管研究人员不得不减少传输光束中的光子数量以防饱和,但机载接收器和地面发射器的性能都很好,产生了高达100千位的安全密钥。

III.  总结

一个专用的量子接收器,如QEYSSat,适用于量子通信应用和纠缠测试,并且可以与多个不同的量子发射器连接。通过广泛的研究,我们在过去的9年中已经能够在太空中为量子通信接收器硬件构建和演示可行的概念。

我们开发了一种有效载荷概念,总质量约为20公斤,功耗为30瓦,适用于微型卫星平台上发射,可用三年。发现表明所有有效载荷组件都具有飞行路径,并经过测试和演示,可以在完整的地面到机载演示中运行,因此表明该概念是可行的。

论文3

用于量子通信的电信波长纳米光子元件

摘要:近几年来,很多文献研究了基于光纤量子通信的1.55 µm波长范围内的InP量子点和光子元件。本文回顾了这些研究取得的成果,同时还讨论了InP量子点和光子元件的特定发展,制作技术和基本物理量子特性。

关键词:单光子发射器,InAs/InP量子点,量子通信,光子晶体。(关键词)

I.引言

未来基于量子通信网络的远距离光纤必须在1.55 µm波长内工作,因为在这个范围内标准光线的光阻尼最低。然而,目前量子通信或量子器件的研究大多针对短波长。半导体系统中占主导地位的是波长小于1 µm的含砷化镓的元素。诸如钻石色心的其他元素是在可见范围内的。对于 1.55 µm范围内的的近红外波长,需要一个新型材料平台,该平台应该与基于砷化镓的同类产品性能相似,甚至更高。

本文回顾了基于InP的量子点和光子元件在量子通信领域取得的研究成果。利用差别很小的双光子发射器可实现高质量的单光子发射器。利用嵌入的类似量子点,可在p-i-n二极管的光电流中测量Rabi振荡。

而且人们研究了自旋动力学,测定了电子自旋G因子和空穴。还通过高分辨率传输电子显微镜研究了这种量子点的形态并与光学发光特征作对比。通过用于腔增强发射的嵌入砷化铟的量子点,实现了磷化铟膜中的高品质纳米腔的形成。新增长技术的发展可以直接将磷化铟嵌入砷化铟量子点,这样就能得到近乎对称的量子点几何模型和不可分辨的不到5 µeV的精细分裂结构。这可能使得在未来纠缠光子直接从grown量子点发射而不需外在压力便得到非对称补偿。这一方法是量子通信的关键组成部分之一。

II. 材料研究和结构制作

A. 外延量子点形成

利用阀控裂解源炉得到V组元素,通过分子束外延来进行量子点外延。基于成熟过程形成了一种特殊增长技术来得到低密度砷化铟量子点,这种量子点生长在于磷化铟相匹配的GaInAlAs表面晶格。在图一中,用底面分布布拉格反射器显示出了外延层结构。图b的原子力显微镜以约每平方厘米108量子点倍数的密度显示低密度量子点样本。更多内容见文章。

图. 1. (a)用于在分布布拉格反射镜上集成低点密度样品生长的外延层设计; (b)2x2m和0.5x0.5 m扫描区域的园子里显微镜图像。

B.光子晶体制造

高质量的光子晶体结构是在具有嵌入式砷化铟量子点的InP薄膜平台上开发的。制作方法的详细情况见

图. 2.(左)嵌入低密度量子点的光子晶体纳米腔的结构设计; (右)由InP制成的 L3腔的扫描电镜图像

非常感谢BMBF项目QuHL-Rep和Q.Com的资金支持。

Ⅲ.电子和光子特性

A.单光子发射

如图1(a)所示,使用分布布拉格反射镜结构的量子点可以获得高质量的单光子发射。在图3中,被测量的二阶相关函数(量子场论) g (2)(τ)以近乎完美的单光子发射显示出来。

图3.近乎完美的单光子发射的自相关测量结果;插图显示了1.5米处的发射光谱。

B.纳米飞行器的排放控制

对于嵌入在纳米腔结构中的量子点发射器,观察到40倍的发射增强(见图4)。由于激子态与腔模的相互作用,也可以控制极化方向等发射特性。

图. 4. 作为波长和样品温度函数的强度图。通过将激子线温度调谐到谐振腔中,量子点发射得到增强。

C.量子点基本性质

对于电子态和空穴态与磁场的相互作用,g因子是重要的。图5中示出了1.5µm InAs量子点中g因子的磁场依赖性。与GaAs基量子点不同,电子和空穴的g因子具有很强的非均质性。

Fig. 5. 由振荡频率(b)和衰减时间(c)的磁场依赖性确定的电子和空穴g因子。

非常感谢BMBF项目QuHL-Rep和Q.Com的资金支持。

D.超低精细结构分裂

极化纠缠光子源是未来量子通信的关键元件,在量子通信中有着重要的作用。这种新式外延制造工艺可用于近对称量子点形成过程,其在约2µeV(寿命限制线宽)的范围内显示超低精细结构分裂(FSS)。因此,这种新型量子光子源是自然纠缠光子源的理想选择。对此验证测试正在进行中。

图. 6. 激子发射随偏振角变化的偏振相关强度图。激子线的FSS约为2μeV。

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