量子点如何揭开量子纠缠的神秘面纱
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图片说明:现在,研究人员可以利用由半导体的微小粒子发出的微波激光来探究一些类似于量子纠缠的奇特现象。

来自普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员使用量子点,即发光纳米晶体中的微小粒子来研究量子纠缠态,已经取得了重大突破。发光纳米晶体能够吸收单波长光,并将光转化为特定波长的高度饱和光,以此来构建一种“微波激光发射器”。此发射器可以发射比传统激光波长更长的激光。这一器件将推动量子计算的发展。

在其它领域,量子点可以大大提高电视、手机及平板电脑LCD屏幕的视觉效果。苹果、三星、亚马逊公司也都开始尝试在它们的产品中应用量子点。

量子点受到电流激发时会发射光,这使得它们成为产生激光的良好介质。由物理学教授Jason Petta带领的普林斯顿大学研究小组最近研发了一种小型的晶体管式器件,即双量子点微型微波激光发射器,它是由四个量子点成对组成,分别放置于狭窄孔洞的内部和另一端。

每对量子点之间的距离约为500 纳米(为方便进行更直观的对比,我们给出一个数值,一根头发的直径约为10万纳米)。量子点之间有很多细小的纳米线,量子点间约相距150纳米。从一个量子点一端来看另一个量子点,这些线横穿排布就像栅栏一样。这样的排布使其功能类似于晶体管,其中一个量子点类似于电源,另一个量子点类似于漏极,而这些线类似于栅电极。

在实验中,整个实验装置冷却至近似于绝对零度(近几千分之一度),并连接到电池上。这样即可产生微弱的电压和电流,使得量子点中的电子形成从元量子点到漏极量子点之间的通道,这些通道经过组成栅电极的纳米线形成回路。在微波范围内,当通道中有电子通过时,即可释放一个光粒子,又称为光子。两组量子点每次释放一个光子,都会相互增强,并连续释放出光子。这些光子连起来即形成微波激光发射器。

由于栅电极中电线类似于电子需要跳跃的壁垒,因此形成了一个电子隧道。在日常生活中,粒子不能跃过这些壁垒,跃过这些栅栏需要耗费与将这些粒子抬升至此高度同等能量。而在量子力学中,未必如此,只要达到一定的能量阈值,电子就有一定概率实现跃迁。而搭建隧道需要耗费一定的能量。

Petta说道,“这就像楼梯一样,当电子跑下楼梯时,它释放一个光子。这些光子的波长与‘楼梯的高度’,即所需耗费的能量成正比。此科技取得重大突破的另一方面即是微波激光的频率可调。通过调节栅电极的电流量,我们可以改变电子穿越通道的能量。而普通的激光,其制作材料便决定了发射光的频率。”

微波激光发射器可用于量子纠缠的相关实验中。双量子点对中的电子通过所发射的光波相互作用。因此,我们可以通过测量电子态来观测它们是否互相纠缠(即纠缠态)。尽管研究人员目前还不能完全地展开量子态实验,但是他们可以通过这一设置来展示长距离中的量子相关效应。在早期的实验中,研究人员使用单量子点,粒子间约相距50 纳米。

在相对较长距离(如一毫米或更长)产生相关量子态,这在量子计算中将有着重要应用,因为这些相关态正是量子计算的处理单元。

量子纠缠同样还是量子密码学的重要部分。使用纠缠粒子来编码加密密钥,凡尝试窃取密码的人都会改变量子纠缠态,这样就会暴露他们自己的身份,从而提醒编码加密密钥者修改密码。(科学之家,译审:Y Li)
文章来源: http://www.livescience.com/49478-quantum-dots-maser-entanglement.html
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