1。1。2 单光子路由器研究方法

2011 年，瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家佩尔·戴辛和克里斯·威尔逊领导的科 研团队与西班牙国家研究委员会的科学家一起在实验上实现了一个基本的量子节点---单 光子路由器。这个量子节点主要利用一个量子比特作为人造原子，它可看作一个简单的三 能级系统，如图 1 (a)所示。可以将这个人造原子耦合到一维的量子传输线上，这个传输 线上微波光子可以进行传播[1]。为了实现对微波光子的路由控制，科学及们同时用一束频

率为 12 的强光束作为控制光来调制该系统并且用一个频率为 01 的弱的连续单光子源探 测该系统， (如图 1(b)所示)，则通过强的控制光束可实现对弱的探测光子的路由，即选

择探测光子的传播路径。这一路由器主要利用的是该系统中存在的电磁诱导透明现象，即 通过调节控制光束可使得探测光束无吸收地透射过耦合系统。当适当调节控制光和探测光 的功率和频率时，系统中可出现电磁诱导透明现象，这样探测光子可从透射端口 2 输出； 当关闭控制光时，系统中的电磁诱导透明现象不再存在，探测光全部被反射回来，从反射 端口 1 输出。因此，通过打开或关闭控制光，可实现对探测光子传播路径的选择，即实现 了路由器的功能。这样的一个耦合系统可作为量子节点应用于量子信息网络中选择光子传 播的路径。这一实验工作大大促进了人们对单光子路由器的研究热情。

（a)人造原子（超导量子比特)的能级示意图；（b）人造原子核超导传输线耦合形成的单光子路由

器的工作原理示意图。

1。2 量子点

1。2。1 量子点的概念

量子点是一种零维的纳米半导体材料，由少量的原子或者原子团构成，因此量子点又 被称为“人造原子”。一个量子点包含一些电子、空穴或空穴电子对，而它的电量是元电 荷的整数倍。量子点，又名纳米晶，是一种由 II－VI 族或 III－V 族元素组成的纳米微 小粒子。而有时候量子点可以叫为“人造原子”、“超晶格”、“ 超原子”或“量子点原子”， 这是 20 世纪 90 年代提出来的一个新名词。

1。2。2 量子点的性质

与传统的有机染料相比，量子点具有以下荧光特性[2]:

（1)量子点能激发波长出很宽的光。而单个波长就能激发所有的量子点，即使同一激发光 源也可以同时进行多通道的检测。

（2)量子点具有非常准确的可调节的发射波长，能通过调整粒子大小得到发射各种各样的 荧光量子点。不需要改变粒子的构成结构，就能很容易的用同一种残料实现多色标记。

（3)量子点的性质不活泼，它的荧光光谱几乎不受周围环境的影响，而且它可以承受反复 多次激发，可大幅度降低背景强度，获得较高信噪比。

（4)量子点具有较大的斯托克位移和狭窄的荧光谱峰，不同光谱特征的量子点同一时刻， 光谱不会交叠，或许会出现少量的交叠，方便区分和识别有标记生物分子的荧光光谱。

（5)量子点通过改变大小改变其发射的光谱，量子点尺寸大小的改变可以实现发射光谱覆 盖真个可见光区的要求。

（6)量子点有较长的荧光特性，它的寿命大数能保持十纳秒，这方便过滤背景干扰对实验

的影响。

1。2。3 量子点的发展

随着纳米技术的前进发展，人们已经突破了自然界的束缚，在已有原子分子基础上， 制造出来形形色色的有量子特点的纳米微粒。除了这些纳米材料之外，自然界一些生物大 分子，比如蛋白质分子和 DNA、RNA，在特殊条件下也会具有量子效应特点。另外，还有 一些材料，比如碳纳米管、纳米机械系统等，虽然他们的大小基本上上处在微米量级，但 是在有的方向时他的尺寸能够小至纳米量级，所以，在一定的条件下同样能显示出量子效 应[3]特征。这些纳米材料，粒子半径往往介于 100 纳米到数微米，或者更体现为高尺度上， 因而我们可以将其发展作为新的基础材料。而将这些基本的纳米基础材相互组装拼凑结合， 便可以产生新的人工复合材料。这些特殊的复合材料有时会表现出不同于单个纳米材料的 新的电学、光学、磁学和生物学而独特的效应，而这在医学、医药以及新能源等领域，具 有极其重要的应用价值与发展前景。此外，这些尺度介于微观与宏观之间的全新的人工复 合材料，能够表现出奇特的介于量子力学和经典力学之间的物理现象，从而将会架起经典 力学与量子力学之间的桥梁，可以使人们可以深入了解到从经典力学到量子力学之间的过 渡效应，从而可以验证量子力学中的推断和假设，帮助我们深入了解物理本质。