用于量子密码技术的单光子发射器

密歇根大学的研究人员向我们展示了可以利用传统的半导体工艺制备的一种简单的效率更高的单光子发射器。该研究成果将进一步推进量子密码这种加密通讯技术的发展。

不同于激光器每次发射出一束光子,单光子发射器每次仅放出一个光子,它是实现量子密码的基础。所谓量子密码学是利用了量子力学领域的观察者效应来保证通信的保密性。这是因为在量子的领域中,对一个系统进行观测必然会是该系统发生变化。

为了使用量子密码学,我们必须对某个信息-银行卡密码或者军事机密进行加密。比如,每次一个光子。在这种情况下,信息的发出者和接收者会发现是否有他人窃听这些信息。

虽然该密歇根大学的研究成果并非首个单光子发射器,但研究人员称他们的器件相比之前的研究有进步,而且制备的方法也更加容易。

“这个器件的制备非常容易,它就是基于硅材料,”电子工程和计算科学系的Pallab Bhattacharya教授说。

这个发射器是基于一个GaN的纳米线,在纳米线上有一个很小的区域是InGaN,这个区域就会像量子点一样起作用。一个量子点可以产生一位的信息,比如在二进制中的0和1。

所使用的半导体材料常被用于LEDs和太阳能电池。研究人员利用了硅晶片进行纳米线的生长,所以与传统的半导体工艺相匹配,有益于该技术的工业化。

“通过逐步缩小纳米线的尺寸,并且在极小的区域调节其成分,我们就可以获得一个量子点。量子点在电激发下可以发射出单个的光子。”Bhattacharya教授解释说:“这是一个很大的突破,它很有可能将单光子发射器推向实际的应用。”

而且该发射器是电激发而非光激发,这也是它更加接近实用的一个方面。它所发射的每一个光子都具有相同程度的线性极化。极化是指一束光的电场分布的取向。大多数其他单光子发射器所发射的光子的极化往往是任意的。

“目前的情况可能是一半具有这个极化而另一半是其他的极化,”Bhattacharya教授解释说,“那么在对信息加密时,你只能够利用50%的光子。而通过我们的器件,几乎所有的光子都可以被利用”。

该器件的工作温度比较低,但是研究人员正在努力是其可以在更接近室温的条件下工作。

来源:密西根大学