单光子源

单光子源是这样一种器件：当你向它发出指令时，它恰好吐出一个光子——一个光的粒子，不多也不少。听上去稀松平常，但真要做到却很难：把普通激光调得再暗，它也不会乖乖一次只给你一个光子，而是给出随机的零星输出，有时一下子发出两个，更多时候一个也没有。对于光子量子芯片来说，光子本身就是量子比特，这种随机性是致命的。你需要一个可靠的、按需供应的洁净单光子源，把光子送进芯片上刻蚀出的波导、分束器和探测器里，还要让量子比特沿着光纤在芯片之间传递。

人们主要用三种方式来制造它。量子点是一小撮人造的半导体微粒，它像一个人造原子那样把电子困住；激发它，它就通过发出一个光子来弛豫，然后必须被重新激发才能再次发光，这天然地保证了一次只发一个。缺陷中心，比如金刚石中的氮空位色心，是晶体中一个原子大小的单个缺陷，行为方式与此相同。第三条路是预报式自发参量下转换（SPDC），原理不同：激光穿过一块特殊晶体，偶尔把一个光子劈成一对；你探测其中一个，这一次'咔哒'就预报——也就是宣告——它的孪生光子正在路上，于是你只保留那些已被确认的光子。

真正要紧的两个指标是效率和不可区分性。效率问的是：当我按下按钮时，有多大比例的有用光子真的抵达了芯片，而不是在途中丢失或被吸收。不可区分性问的是：这些光子是否足够一模一样——同样的颜色、同样的形状、同样的偏振——使得其中两个能按量子光学所要求的那样发生干涉；只要它们稍有差别，量子逻辑就会崩塌。如今最好的单光子源已经不错，但还谈不上完美，而要在一块可以量产的芯片上，可重复地同时做到高效率和高不可区分性，仍是一个远未解决的工程难题。