單光子源

單光子源是這樣一種元件：當你向它發出指令時，它恰好吐出一個光子——一個光的粒子，不多也不少。聽上去稀鬆平常，但真要做到卻很難：把普通雷射調得再暗，它也不會乖乖一次只給你一個光子，而是給出隨機的零星輸出，有時一下子發出兩個，更多時候一個也沒有。對於光子量子晶片來說，光子本身就是量子位元，這種隨機性是致命的。你需要一個可靠的、按需供應的潔淨單光子源，把光子送進晶片上蝕刻出的波導、分束器和偵測器裡，還要讓量子位元沿著光纖在晶片之間傳遞。

人們主要用三種方式來製造它。量子點是一小撮人造的半導體微粒，它像一個人造原子那樣把電子困住；激發它，它就透過發出一個光子來弛豫，然後必須被重新激發才能再次發光，這天然地保證了一次只發一個。缺陷中心，比如鑽石中的氮空位色心，是晶體中一個原子大小的單個缺陷，行為方式與此相同。第三條路是預報式自發參量下轉換（SPDC），原理不同：雷射穿過一塊特殊晶體，偶爾把一個光子劈成一對；你偵測其中一個，這一次「喀噠」就預報——也就是宣告——它的孿生光子正在路上，於是你只保留那些已被確認的光子。

真正要緊的兩個指標是效率和不可區分性。效率問的是：當我按下按鈕時，有多大比例的有用光子真的抵達了晶片，而不是在途中遺失或被吸收。不可區分性問的是：這些光子是否足夠一模一樣——同樣的顏色、同樣的形狀、同樣的偏振——使得其中兩個能按量子光學所要求的那樣發生干涉；只要它們稍有差別，量子邏輯就會崩塌。如今最好的單光子源已經不錯，但還談不上完美，而要在一塊可以量產的晶片上，可重複地同時做到高效率和高不可區分性，仍是一個遠未解決的工程難題。