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至于量子卫星的发射，将很快是一周年纪念日(链接)。中国的量子卫星于去年本月16日发射。为了纪念这一难忘的事件，本文介绍了光子的量子通信原理。尽管光子被称为光量子，但它们的量子态很容易被破坏。光子是电磁辐射的载体，在量子场论中，光子被认为是电磁相互作用的媒介。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)

所有早期的量子计算研究都是用光进行的。光线很容易操纵。仅仅几面镜子、几块水晶和一个光探测器就相当于拥有一台水晶电脑。然而，在过去的20年里，情况已经改变了很长一段时间，几乎所有的主要进展都是通过使用离子、超导电流环或晶体缺陷取得的。

这是一个合理的进展。为了进行逻辑运算，一个量子态必须被用作基础，而另一个量子态必须被修改。然而，当一个光波经过另一个光波时，它通常会笔直地经过，没有任何摇摆，更不用说停下来“交流”了。这两个带电离子正好相反。一个的量子态会对另一个有很大的影响，所以逻辑操作会简单得多。

问题是容易改变的量子态也容易被环境破坏。相比之下，光的量子态要顽固得多。这已经通过卫星量子密钥分配得到了两地的验证。

因此，光量子态对量子计算仍然具有重要意义，但它们大多被用作不同地方之间的信息载体。在每一个位置，光的量子态将被转换成其他状态，从而扩展了操作。然而，科学家们现在已经开发出一种特殊的材料结构，能够使光线之间产生强烈的相互作用。这样，上述转换过程就不再需要了。

相互忽略的光子

那么，为什么光子如此“自恋”？问题是他们必须通过某种媒介进行交流。当光穿过玻璃时，光场将振动玻璃中的所有电子，从而减慢光的传播速度。光减速的程度用材料的折射率来表示。我们通常认为折射率与光的亮度无关。如果光强度增加，电子会振动得更剧烈，但是光穿过介质的轨迹不会改变，也就是说，折射率不会改变。

然而，如果光强度很高，电子振动的振幅将超过一般范围。电子平时被束缚在原子上，所以振动幅度是有限的。一旦光的亮度使电子振动的振幅急剧增加，光的强度就会改变介质的折射率。当光通过介质的路径改变后，会出现各种奇怪的现象，例如新的颜色、光开始聚焦或者光脉冲变得更短更密集。

如果在两个镜子之间插入玻璃，这些奇特的效果会更加明显。科学家让昏暗的光线通过前镜“泄漏”。镜子之间的距离决定了哪种颜色的光可以进入中间的缝隙。特定颜色的光会在镜子之间来回反射。随着越来越多的光通过缝隙泄漏，光的亮度逐渐积累并增强。同时，光线会从第二面镜子的缝隙中漏出。

过了一会儿，入射光的量等于出射光的量，达到平衡状态。此时，照在第一面镜子上的所有光线似乎都穿过了缝隙，没有一个被反射回来。从第二面镜子泄漏的光与入射到第一面镜子上的光一样亮，并且镜子之间的光非常亮。镜子的反射性越强，镜子之间的光线就越亮。从效果的角度来看，两个镜子之间的空间相当于一个储光室。

如果光足够亮，它将改变反射镜之间介质的折射率，从而改变可以进入两个反射镜中间的光的颜色，因此永远不会达到上述平衡状态。事实上，虽然光最初没有被第一面镜子反射，但是随着镜子之间的光的亮度增加，第一面镜子突然开始反射光。从效果来看，等于光本身改变了光的方向。

这正是光量子计算机的目的:通过光来改变光的状态。

“亮度”是研究中的一个常见话题。为了获得非常高的亮度，需要很多很多的光子。然而，由于量子态以单光子的形式储存，亮度是不可能的。正因为如此，光量子计算机的发展一直停滞不前。

两进一出

为此，科学家发起了新一轮的材料研究。他们希望创造一种高度敏感的结构，一个光子也能改变它的性能。这可以用一个原子来实现。假设宇宙中有一个固定的原子和一个能发射单光子的“喷枪”。这把枪有一百发子弹，每个光子都能击中一个原子。此外，我们可以选择光子的颜色来满足使原子从基态跃迁到激发态的能量间隔。

单个光子撞击原子后，原子会吸收光子，并在一段时间后向任何方向“吐出”一个类似的光子。然而，如果我们连续向一个原子发射两个光子，这个原子将只吸收第一个光子，第二个光子将直接通过，这相当于一个光子控制了另一个光子的必要路径。与前面的例子相反，只需要一个原子就能产生想要的效果，这正是我们所需要的。

但是原子在现实中不会停留在它的位置，除非它被其他原子包围。原子不会随意吸收任何颜色的光，只会吸收大自然选择的颜色。更糟糕的是，原子体积非常小，光子撞击原子并被吸收的概率自然非常小。宇宙让我们大失所望。我们需要找到更多合适的原子。

点原子

这涉及到量子点的概念。量子点是微球形材料。这些小球非常小。如果给它们通电，一次只能有一个电子进入球体。每个电子都阻挡下一个电子的进入，量子点中包含的单个“自由”电子就像原子中的电子一样。但是不同于原子，不同能级之间的间距由球体的大小决定。换句话说，量子点就像是“主定制”的原子。量子点比普通原子大得多，所以它们更容易被光子击中。

研究人员将量子点放在两个镜子之间。整套装置非常小，反射镜使用直径几微米的微晶体柱，两个反射镜仅相隔几百纳米。这并不是最特别的，毕竟这样的设备随处可见。

这项新研究的特点主要有两点。首先，研究人员使用一种特殊的制造技术将量子点放置在间隙中心附近。其次，由于每个量子点略有不同，他们在量子点上安装了电极来调节量子点的能级，从而使量子点吸收和发射的光的颜色与镜子之间的间隙所需的颜色相匹配。

想象一下，一束光照射在一个微小的水晶柱上，它的颜色正好符合镜子间距的要求。光束穿过镜子，在两个镜子之间来回反射。突然间，量子点吸收光子并达到激发态，改变其折射率。镜子突然开始反射光线。单光子也能达到同样的效果。

我们在镜子上照射平均不到一个光子的光脉冲。平均来说，只有不到一个光子通过镜子来回反射。一旦被吸收，镜子就开始反射光线，下一个撞击镜子的光子只能以同样的方式返回。

单光子镜的优势

单光子镜有什么优点？它可以用来产生一系列单独的光子。它可以解释如下:如果有一个激光发射器，光脉冲可以产生每几纳秒。我们逐渐降低它的强度，这样每个脉冲平均只包含一个光子。但这不是单光子光源。如果你能计算出每个脉冲中光子的数量，你会发现有些脉冲根本不包含光子，有些脉冲包含两个或更多光子，只有少数脉冲包含一个光子。光子不互相交流，但它们喜欢一起旅行。

为了连续发射单个光子，可能需要进一步降低光束强度，以在每10个脉冲中包含一个光子。但是即使如此，仍然会有几个脉冲包含两个以上的光子。

然而，如果允许每秒发射一个光子的光脉冲照射上述设备，则反射光脉冲确实与光子的数量一一对应。更准确地说，最初包含少于两个光子的光脉冲在反射后只有一个光子，而包含多于两个光子的光脉冲在反射后有多于一个光子。这是因为量子点最多只能吸收一个光子，所以很难从光脉冲中去除一个以上的光子。

但这只是开始。这也有助于研究光子门，即让一个光子改变另一个光子的状态。虽然这一点没有包括在这项研究中，但我相信科学家们很快就会进行相关的研究。

最令人兴奋的是，这项研究中使用的技术也可以应用于光学集成电路。我们可以在起点打脉冲激光。第一个装置把它转换成一系列单独的光子，然后把它们送到光子门，并把它们调整到计算所需的量子态。接下来，这些光子将被发送到不同的微晶体柱，改变彼此的状态，然后执行操作。整个过程运行非常高效。

这一进展让科学家们兴奋不已。实验装置制作精良，无随机缺陷。研究人员使用寿命更长的光子，而不是转瞬即逝的。光子一直是量子信息的优秀载体，将来它们可能会被用于有效的计算。

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