纪念墨子号：光量子通信的科普

关于量子卫星的发射已经马上就要一周年了（链接），去年本月的16日我国量子卫星升空。为了纪念这一令人怀念的大事件，本文介绍光子的量子化通信原理。虽然光子被称为光量子，但是其量子态却极易被破坏。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子(如电子和夸克)相比，光子没有静止质量(爱因斯坦的运动质量公式m=m0/sqr[1-(v/c)]中，光子的v = C，使得公式分母为0，但光子的运动质量m具有有限值，故光子的静止质量必须为零。这就是使得量子通信中光子传播和接收必须经过专门的密钥分配。

所有早期量子计算研究都是利用光开展的。光易于操纵，只需几面镜子、几块晶体和光线探测器，就等于拥有了一台晶体计算机。但在过去20年间，情况早已改变，几乎所有重大进展都是利用离子、超导电流环或晶体缺陷取得的。

　　这是一种合理的进步。要进行逻辑运算，必须以一种量子态为基础、对另一种量子态进行修改。然而，一道光波从另一道光波旁飞过时，往往径直而过，路径没有丝毫动摇，更别提停下来“交流”了。两个带电离子则恰好相反，其中一个的量子态会对另一个造成强烈影响，因此逻辑运算会简单得多。

　　问题在于，能够轻易改变的量子态也容易被环境破坏。相比之下，光的量子态就顽固得多。这已经由两地通过通过卫星开展的量子密钥分配得到了验证。

　　因此，光量子态仍对量子计算具有重要意义，不过它们大多被当作各地之间的信息载体。在每个位置上，光的量子态会被转化成其它状态、从而展开运算。不过，如今科学家研发出了一种特殊的物质结构，使光线之间可产生强烈的相互影响。这样一来，就不再需要上述转化过程了。

　　互相无视的光子

　　那么，光子为何如此“孤芳自赏”呢？问题在于，它们必须通过某种介质才能交流。当光线穿过玻璃时，光场会使玻璃中的全部电子发生振动，从而减慢光的传播速度。光的减慢程度表现为材料的折射率。我们通常认为，折射率与光的亮度无关。如果加强光照强度，电子会振动得更加剧烈，但并不会改变光线穿过介质的轨迹，也就是说，折射率没有变化。

　　然而，如果光线亮度很高，电子振动的幅度就会超出一般范围。电子平时和原子绑定在一起，因此振动幅度有一定限制。一旦光线亮度使电子振动幅度急剧增加，光照强度就会改变介质折射率。光线穿过介质的路径改变后，各种奇怪的现象便会随之发生，如出现新的颜色、光线开始聚焦、或者光脉冲变得更加短暂密集。

　　如果将玻璃塞在两面镜子中间，这些奇特的效应便会更加明显。科学家让一道黯淡的光线通过前镜“渗漏”进来，镜子之间的距离决定了哪种颜色的光线能够进入中间的缝隙。特定颜色的光线会在镜子间来回反射。随着越来越多的光线通过空隙渗漏进来，光线亮度逐渐累积加强。与此同时，光线还会透过第二面镜子的空隙渗漏出去。

　　过了一会儿，进来的光线与出去的光线数量相等，便达到了均衡状态。此时看来，所有照射在第一面镜子上的光线似乎都穿过了空隙，没有一道被反射回去。从第二面镜子漏出的光线亮度与射在第一面镜子上的光线相当，镜子之间的光线更是极为明亮。镜子的反射性越强，镜子之间的光线就越亮。从效果上来看，两面镜子之间的空间就相当于一个光线储藏室。

　　如果光线足够明亮，就会改变镜子间介质的折射率，从而改变可进入两面镜子中间的光线颜色，因此永远达不到前面描述的均衡状态。事实上，光线一开始虽然没被第一面镜子反射，但随着镜子间光线的亮度不断增加，第一面镜子忽然开始反射光线了。从效果上来看，等于光自己改变了光线的走向。

　　这正是光量子计算机的目的：由光线来改变光线状态。

　　“亮度”是研究中的常见主题。要达到很高的亮度，就需要很多、很多的光子。但量子态是以单个光子的形式储存的，亮度也就无从谈起。正因为如此，光量子计算机的研制一直停滞不前。

　　两进一出

　　为此，科学家展开了新一轮材料研究。他们希望能打造一种高度敏感的结构，单个光子也能改变其性能。这可以用单个原子来实现。假设宇宙中有一个固定不动的原子，还有一把能发射单个光子的“喷枪”。这把枪百发百中，每个光子都能射中原子。此外，我们可以选择光子的颜色，让其满足使原子从基态跃迁到激发态的能量间隔。

　　单个光子击中原子后，原子会将该光子吸收，过了一段时间后，再朝任意方向“吐”出一个相似的光子。但如果我们接连向原子发射两个光子，原子就只会吸收第一个光子，第二个光子则会径直穿过，相当于一个光子掌控了另一个光子的必经之路。和前文的例子相反，这里只需单个原子便可产生预定效果，正好满足我们的需求。

　　但现实中的原子不会停在原处不动，除非用其它原子将它围困住。原子也不会随意吸收任何颜色的光线，只吸收自然界为其选定的颜色。更糟糕的是，原子体积非常小，光子击中原子并被吸收的概率自然也很小。宇宙令我们大失所望，我们需要寻找更适合的原子。

　　点状原子

　　这里涉及到量子点的概念。量子点是一种微型球状材料。这些小球的体积极小，如果向其中通入电流，每次只有一个电子能进入球中。每个电子都会堵住下一个电子的入口，量子点中包含的单个“自由”电子的表现与原子中的电子无异。但和原子不同的是，不同能级之间的间隔由球体的大小决定。换句话说，量子点就像“大师定制”的原子。由于量子点比一般的原子大得多，因此更容易被光子击中。

　　研究人员将量子点置于两面镜子中间。整套装置十分迷你，镜子用的是直径几微米的微型晶柱，两面镜子间仅间隔几百纳米。这还不是最特殊的，毕竟这样的装置随处可见。

　　这项新研究的特殊之处主要有两点。首先，研究人员采用一种特殊的制造技术，将量子点置于靠近间隔正中的位置。其次，由于每个量子点都有些许不同，他们在上面安装了电极，对量子点的能级进行调整，使量子点吸收和发射的光线颜色与镜子间空隙要求的颜色相符。

　　想象一下这样的画面：将一束光照在微型晶柱上，它的颜色刚好满足镜子间距的要求。这束光透过镜子，在两面镜子间来回反射。突然，量子点吸收了某个光子，达到了激发态，改变了它的折射率。镜子忽然开始反射光线。而用单个光子也能达到同样的效果。

　　我们将一道平均含有不到一个光子的光脉冲照射在镜子上。这平均不到一个光子透过镜子、在当中来回反射。一旦被吸收之后，镜子便开始反射光线，下一个打在镜子上的光子便只能原路返回。

　　单光子镜子的优势

　　单光子镜子有什么优势呢？它可以用来制造一连串单个光子。可以这样解释：假如有一台激光发射器，每隔几纳秒可产生一道光脉冲。我们逐渐降低它的强度，让每道脉冲中平均仅含有一个光子。但这并不算单光子光源。如果能数一数每道脉冲中的光子数量，会发现有的脉冲中根本没有光子，有的脉冲则含有两个或更多光子，只有少数脉冲含有一个光子。光子不会与彼此交流，但它们喜欢结伴而行。

　　要想连续发射单个光子，也许还要进一步降低光束强度，让每10道脉冲中含有一个光子。但即使如此，还是会有少数脉冲中含有两个以上的光子。

　　但假如让平均每秒发射一个光子的光脉冲照射在上述设备上，反射回来的光脉冲的确与光子数量一一对应。说得更精确些，原本含有两个以下光子的光脉冲在反射之后便只剩下了一个光子，含有两个以上光子的光脉冲在反射后则拥有不止一个光子。这是因为量子点最多只能吸收一个光子，因此要想从一道光脉冲中去除一个以上的光子十分困难。

　　但这还仅仅是开始而已。这还有助于光子门的研究，即让一个光子改变另一个光子的状态。虽然此次研究中未涉及这一点，但相信很快便会有科学家展开相关研究。

　　最令人激动的是，此次研究中运用的技术还可以用于光集成电路。我们可以将一道脉冲激光打在起点处，第一道设备先将其转化成一连串的单个光子，再将它们送往光子门，调整为计算所需的量子态。接下来，这些光子会被送往不同的微型晶柱，改变彼此的状态、进而展开运算。整套流程的运行十分高效。

　　这项进展令科学家激动不已。实验装置制作精良，不存在随机缺陷。且研究人员使用的是寿命较长的光子，不那么转瞬即逝。光子向来是传递量子信息的绝佳载体，今后或许还能用它们展开高效运算。