“第二次量子革命”目前正在全面展开，世界各地的专家正基于量子物理学开发全新的技术。其中一项关键应用是量子通信技术，它的信息以光的形式写入和发送的。对于许多利用量子效应的应用来说，光必须处于单光子的状态才有价值。但是产生单光子的最佳方法是什么呢？在最近的《PRX Quantum》期刊上，来自德国明斯特、拜罗伊特和柏林的研究人员现在提出了一种全新的量子系统制备方法，能用来开发这一关键的量子技术组件。

在科学家看来，使用量子系统来产生单光子是非常有前途的。这种量子系统的一个众所周知的例子是量子点。量子点是一种半导体结构，尺寸只有几纳米，并且可以使用激光脉冲来控制量子点。虽然量子点具有与原子相似的特性，但将它们嵌入在晶体矩阵中，这对于应用来说通常更实用。柏林技术大学量子通信实验实验室负责人Tobias Heindel博士说：“量子点非常适合产生单光子，这几乎是我们实验室每天都在做的事情。但它仍有很大的改进空间，尤其是在将这项技术从实验室转移到实际应用中的方面。”

必须克服的一个困难是将产生的单光子与激发的激光脉冲相分离。在他们的工作中，研究人员提出了一种全新的方法来解决这个问题。该研究的主要作者明斯特大学的Thomas Bracht解释说：“激发利用了量子系统中的摆动过程。为此，我们使用了一个或多个激光脉冲，它们的频率与系统的频率相差很大。这使得光谱过滤变得非常容易。”

科学家将“摆动过程”定义为量子系统中被激光激发的粒子产生电子的特殊行为，或者更准确地说是电子-空穴对(激子)。在他们的研究中，使用了来自两个激光器的激光，它们几乎同时发射光脉冲。我们知道，由于脉冲彼此的相互作用，会发生快速调制，并且在每个调制周期里，粒子总是会受到一点激发，然后再次下降到基态。然而在这个过程中，它并没有回落到之前的水平，而是随着每一次向上摆动而被更强烈地激发，直到达到最大状态。这种方法的优点是激光的频率与激发粒子发射的光的频率不同。

该团队在量子系统中模拟了这一过程，从而为实验实施提供了指导。领导这项研究的Doris Reiter博士说：“我们还解释了摆动过程中的物理学，这有助于我们更好地了解量子系统中的动力学。”

为了能够在量子通信中使用光子，它们必须具备某些特性。量子系统的任何准备工作都不应受到环境过程或破坏性的负面影响。在量子点中，尤其是它与周围半导体材料的相互作用往往是此类制备方案的一个大问题。该研究团队负责人Martin Axt教授补充道：“我们的数值模拟表明，在向上摆动过程后产生的光子的特性与已有产生单光子的既定方法的结果相当，但这些方法不太实用。”

该研究已完成理论工作。由于有理论和实验组之间的合作，该提案已非常接近现实的实验室条件，而且研究人员相信该计划的实验实施将很快能成为可能。凭借他们的研究结果，研究人员正朝着开发未来的量子技术迈出前进的一步。（编译:Qtech）