第二节 光子研究的新成果
一、光子概貌研究的新信息
（一）观察和记录光子的新进展
1．观察光子运行状态取得的新收获
（1）首次捕捉到光子同材料内电子的耦合现象。2013年10月24日，美国麻省理工学院物理学副教授努哈·戈迪科领导的研究小组，在《科学》杂志上发表论文称，他们成功地让光子和拓扑绝缘体表面的电子相互耦合，并对这种耦合现象进行了观测，研究人员此前曾预测过这类耦合，但这是他们首次捕捉到这种耦合现象。该研究成果，将有助于科学家们通过光，来改变某些材料的电学属性，或制造出电学属性可以被实时“调谐”的新材料。
此前，瑞士物理学家、1952年诺贝尔物理学奖获得者费利克斯·布洛赫首次提出，电子在晶体内会采用一种不断重复的有规则的模式移动，移动模式受晶格周期性结构的控制。光子是拥有独特规则频率的电磁波，它们同材料间的相互作用会导致弗洛凯状态（以法国数学家加斯东·弗洛凯的名字命名）。因此，电子和光子相互“纠缠”，就会生成一种在时间和空间上，都具有周期性的量子—力学混合状态，被称为弗洛凯—布洛赫状态。
在实验中，该研究小组朝一块拓扑绝缘体发射了中红外激光飞秒（1000万亿分之一秒）脉冲，并使用他们专门制造出的高速照相设备电子分光仪，拍下了来自激光脉冲的光子同绝缘体表面的电子间的相互作用，从而首次证实电子和光子间的弗洛凯—布洛赫状态在晶体内的存在。而且，他们还发现，当光子的偏振方向改变时，会有多种不同类型的混合状态出现。
戈迪科说，最新研究表明，科学家们仅仅通过改变激光束的偏振方向，就可以对材料的电学属性进行修改，比如让其从半导体变成导体。另外，在某些情况下，光能改变材料的行为，但只在光被材料吸收时才会发生，而在最新实验中，光没有被材料吸收，因此在改变物质属性时并不会产生发热等其他效应。
戈迪科表示，或许他们还需要一段时间对其可能的应用进行评估。但他认为，最新研究将有助于科学家们对材料进行工程处理让其具有某些特定的功能。他说：“假如你想让某种材料具有某种特征，比如导电或透明，目前我们需要使用化学方法做到这一点，但借用新方法，我们只需要用光照射物质就可以做到。”这方面最实用的一个例子，是打开制造计算机芯片和太阳能电池材料的带隙。
研究人员还表示，尽管实验中使用的是基本的拓扑绝缘体硒化铋晶体，但这一方法或许也适用于石墨烯等其他材料。
（2）观察实验表明人类肉眼可分辨单个光子。2016年7月19日，美国纽约州洛克菲勒大学阿里帕沙·瓦兹里主持的研究团队，在《自然·通讯》杂志网络版发表研究成果称，他们的一项神经科学研究表明，人类的视力能以高于随机水平的概率侦测到单光子，这一研究为人类肉眼的分辨极限，提供了新的见解。
20世纪40年代的研究已经证实，人类被试对象能报告出低至几个（5~7个）光子的光信号。然而，人类能否感知到单光子，至今仍然是个悬而未决的问题。此前对青蛙视网膜上的单个杆状细胞开展的实验表明，杆状细胞会对单个光子做出反应。但由于视网膜也会对信息进行处理，以减少噪音造成的“虚假警报”，所以对视网膜发射单个光子，不一定能成功转化为信号传送到大脑，让被试者意识到有光存在。而且，这一实验在一定程度上也受实验条件限制，即与产生光子的光源有关。
此次，瓦兹里研究团队使用量子光学技术，设计了一个单光子光源，并在三位被试者身上测试了人类视力的侦测极限。他们的光源系统能够产生一对相互关联的光子，其中一个光子射向被试的眼睛，另一个光子则射向一台高感光度的相机。每次实验都向被试者呈现了两个光刺激，其中一个包含一个光子，另一个则为空白（也可以理解为这一刺激中没有光）。
实验中，被试者需要说明哪个刺激包含了光信号，根据被试者在总计共30767次试验中的表现，研究团队发现，被试对象正确区分含有一个光子的一次闪光和无光的平均概率，要高于随机水平。
但论文作者同时指出，他们发现的这一现象的背后机制，即视网膜和大脑回路的关联，仍有待未来研究探索。
2．记录光子运动状态获取的新成果
（1）通过镜子记录量子点发射的光子状态。2010年12月21日，物理学家组织网报道，丹麦科技大学与哥本哈根大学科学家共同组成的一个研究团队，在19日出版的《自然·物理学》杂志上发表论文称，他们通过镜子记录量子点发射出来的光子状况，发现固体光子发射器发出的光，也就是所谓的量子点并不是点，这与科学家以前一直认识的不同，也让科学界非常吃惊。新发现可能有助于改进量子信息设备的效率。
目前，科学家能够制造和定制高效的、每次发射一个光子（光线的基本组成单元）的光源发射器。科学家将这样的发射器称为量子点，其包含数千个原子。以前，科学家认为，量子点是三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一个很小的点状物。但现在研究人员发现，量子点不能被描述成光线的点源，因此，研究人员得出了一个令人吃惊的结论：量子点不是点。
研究人员在实验中把量子点放置在一面金属镜子附近，并记录了量子点发射出来的光子的情况。不管是否上下翻转，光线的点源（光子）都应该拥有同样的性质，研究人员认为量子点也会出现这种情况。但结果表明情况并非如此，他们发现，量子点的方位不同，其发射出的光子数也不同。
这个实验现象的发现，同新的光—物质交互理论非常契合，该理论由丹麦科技大学光电工程系的研究人员与哥本哈根大学尼尔斯·波尔研究所的安德斯·索伦森所研发。该理论考虑了量子点在立体空间的扩展。
实验中金属镜子的表面，存在着高度受限的等离子激元。等离子激元光子学，是一个非常活跃和富有前景的研究领域。等离子激元中高度受限的光子，可以应用于量子信息科学或太阳能捕获等领域。
等离子激元受到强烈的限制也暗示着，量子点发出的光子能被大大地改变，量子点非常可能激活等离子激元。目前的工作已经证明，科学家可以更有效地激活等离子激元。因此，量子点可以被扩展到超越原子维度的更大的维度，这表明，量子点能同等离子激元更有效地交互作用。
这项工作可能为利用量子点的立体维度的新的纳米光子器件铺平道路。新的效应在光子晶体、腔量子电动力学，以及光捕捉等其他研究领域，也具有非常重要的作用。
（2）首次用相机拍下光子的量子纠缠图像。2012年8月，由英国格拉斯哥大学物理学和天文学学院教授迈尔斯·帕吉特，以及赫瑞·瓦特大学以及加拿大渥太华大学的研究人员共同组成的一个研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称，他们首次利用照相机，拍摄到光子的量子纠缠图像。量子加密通信、量子计算等技术的发展，都需要依靠量子纠缠的物理特性，最新研究成果朝着开发这类应用迈进了一步。
量子纠缠是一种量子力学现象，处于纠缠态的两个粒子即使距离遥远，也保持着特别的关联性，对一个粒子的操作会影响到另一个粒子。简单来说就是，当其中一个粒子被测量或者观测到，另一个粒子也随之在瞬间发生相应的状态改变。这种仿佛心有灵犀一般的一致行动，超出了经典物理学规则的解释范畴，被爱因斯坦形容为“鬼魅似的远距作用”。
在此次实验中，研究小组使用一个具有高灵敏度的照相机，来测量光子的高维空间纠缠。光子的纠缠态，是用一种特殊的晶体把一个单光子一分为二来创建的。通过给这些光子对拍照，研究人员可以对光子位置之间的关联进行测量，这是经典物理学所无法实现的。借助201×201像素阵列，照相机可在同一时刻观察到量子光场的全景，研究小组也得以看到多达2500种不同的纠缠态。
帕吉特说：“一张图片胜过千言万语，这句格言用在此处再恰当不过了。每个像素都含有自己的信息，从而可能给量子加密通信的数据容量带来革新。”
他表示：“这项研究，是朝着未来量子技术迈进的重要一步，同时也显示了照相机的一个重要新功能，那就是在量子信息科学方面的应用。”
（3）用量子干涉首次获得单光子全息图。2016年7月20日，美国商业内幕网站报道，波兰华沙大学物理学家拉多斯瓦夫·夏拉皮凯威克兹和迈克尔·贾彻拉等人组成的一个研究小组，首次制造出单个光子的全息图。他们表示，最新研究可强化研究人员对量子力学的理解，赋予他们一种看待量子现象的新方式，有望开启一个全新的量子全息成像术时代。
全息成像与摄影术不同，可以重现物体的空间结构，让人们看清其三维形状。全息成像术利用了经典的干涉现象，即两束波相遇会形成一束新波，但由于光子的相位（波的一种属性）一直在波动，经典干涉无法用光子做实验。在最新研究中，华沙大学研究小组通过使用量子干涉获得了光子的全息图，同时发现，在量子干涉中，光子的波函数相互影响。
研究人员解释称，波函数是量子力学的一个基本概念，与粒子处于某一特定状态的可能性相关联，也是薛定谔方程的核心，在有经验的物理学家手中，这一函数能被用来“构建”一个量子粒子系统的模型。
当为光子对拍照时，研究小组注意到双光子干涉现象。在双光子干涉中，当进入分束器时，可区别的光子对随机地活动，但不可区别的光子对则表现出量子干涉，这影响了它们的行为：这些光子对要么被一起传输，要么被一起反射。
夏拉皮凯威克兹说：“我们想知道，双光子量子干涉是否同全息成像术中的经典干涉一样，可用状态已知的光子进一步获得状态未知光子的信息。分析让我们得出一个令人吃惊的结论，当两个光子表现出量子干涉时，这一干涉过程取决于其波阵面（同一波阵面上各点的振动位相相同）的形状。”
研究人员表示，最新实验对理解量子力学的基本法则有重要意义，也有助于更好地理解波函数的本质。他们希望，借用这一方法制造出更复杂量子物体的全息图。
（二）研究光子特性的新发现
1．探索光子一般特性的新发现
（1）发现低能长波光子可以转换成高能短波光子。2006年10月，有关媒体报道，德国美因茨的马克斯·普朗克聚合物研究所与斯图加特的索尼材料科学实验室联合组成的研究小组发现，利用两种光活性物质，可以把低能长波光子转换成高能短波光子。利用光子这种特性，将有助于开发新一代高效的太阳能电池。
太阳光中有大量的低能长波光子，由于目前的太阳能电池无法有效地将其转换成高能短波光子，使太阳能电池的应用受到很大限制。通常高能短波光子只能在实验室的高能束激光中产生。该研究小组通过大量试验，找到了两种新物质，即乙基卟啉白金薄膜和二苯蒽，解决了阳光中低能长波光子向高能短波光子的转换。
这两种被称为“光子传递者”的物质具有不同的特性，其中一种作为吸收长波光子的“接收器分子”，另一种作为发射短波光子的“发射器分子”。首先由“接收器分子”接收太阳光中的低能分子，然后将能束传递给“发射器分子”，由其以高能短波光子形式输出。
利用这一方法，可极大地提高太阳能电池的光电转换效率。目前，研究人员已解决了太阳光光谱中绿色长波光子向灰色短波光子的转换，研究人员还将开发新的物质组，实现太阳光光谱中其他颜色长波光子的转换。
（2）发现光子的寿命或许比宇宙还长。2013年7月，国外媒体报道，爱因斯坦提出的光电效应将光量子化，金属在吸收光子后释放出电子，我们可以根据方程式计算出光量子的能量，光子是一种基本粒子，质量被认为是0，光子的诸多特性已经被物理学家们发现，比如较为著名的光子具有波粒二象性，光子不仅能表现出“光量子”的行为，也有干涉、折射等波的性质。然而，光子是否具有寿命呢？德国海德堡普朗克核物理研究所科学家朱利安·赫克领导的研究小组发现，光子在其自身静止参照系中的寿命为三年，但是如果在我们的时空参照系中，光子的寿命就会大大增加，达到1018年。
有研究认为，光子有一个确定的寿命期，事实上天文学家在观测遥远天体时，都是接收到数十亿年前遥远天体发出的光子，但是根据一些理论研究发现，光子可以存在一个非零的静止质量，尽管这个质量非常小。研究人员通过一些电场和磁场的实验发现该质量上限为10的负18次方电子伏特，光子可以衰变成其他较轻的基本粒子，比如中微子和反中微子，甚至是一些目前未知的粒子，它们可能超出粒子物理学上的标准模型。
赫克认为，我们可以通过宇宙学上的观测来发现光子衰变的迹象，宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙年轻时留下的信息，大爆炸仅发生了38万年，在此之前，宇宙中的物质与辐射有内在的联系，随着宇宙经历了暴涨时期，炙热的等离子体和轻原子核开始冷却下来，使得中性原子得以形成，光子开始在宇宙空间中“旅行”。随着时间的推移和宇宙膨胀，其波长逐渐被拉长，根据宙背景探测卫星（COBE）、WMAP探测器，以及普朗克空间望远镜的探测结果，宇宙微波背景辐射频谱是对黑体光谱性质的最精确测量。
赫克发现宇宙微波背景辐射是一个几乎完美的黑体，结合质量与宇宙微波背景辐射的限制条件，可以得出光子在其自身的静止参照系中寿命为三年，但是这些微小质量的光子在时空中以近光速运行时，其寿命可达到1018年。
2．探索单光子特性的新发现
（1）发现单光子能在量子点中产生多个电子。2006年6月，有关媒体报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室一个研究小组，利用光束照射直径仅为几个纳米的量子点（也称纳米水晶或半导体微片），结果发现，一个光子能够在量子点中产生多个电子。该项研究成果，有望大大提高太阳能电池的效率，并可用于推动技术的发展。
研究人员在最近完成的试验中，采用直径为8纳米的硒化铅量子点，取得迄今最好的成绩：在紫外线光波的照射下，每个光子能在硒化铅量子点中产生7个自由电子。
过去几十年中，研究人员发现，虽然许多光子具有足够的能量在半导体材料中产生多个自由电子，但在实际的光电转换中，一个光子通常只能对应一个自由电子的产生。其原因在于，在光子作用下产生的自由电子，往往会与其周围的原子发生碰撞，结果是导致原子发生振动产生热量消耗了电子多余的能量，而没有产生更多的自由电子。
研究人员表示，如果这些产生出来的自由电子，能够在电池中得到利用，那么就能提高太阳能电池的效率。目前，从新型太阳能电池原型获得的数据显示，太阳能电池的输出能量确实得到了提高。此外，单光子产生多个电子成果，不仅有助于太阳能电池的改进，而且还有助于推动其他技术的发展，例如能够加快研制燃料电池产生氢气的太阳能水分离器。
（2）发现金刚石量子内存能改变单光子颜色。2016年4月，加拿大国家研究理事会和滑铁卢大学量子计算研究所组成的研究小组，在《自然·传播》杂志上发表研究成果称，他们使用金刚石中的一个量子内存，首次实现了超快单光子颜色和带宽的转换。
改变一个光子的颜色或频率，是优化量子网络中联结部件的必要条件。例如，在光量子通信中，可通过光纤的最佳传输是近红外线，但许多测量传感器在频率更高的可见光条件下会工作得更好。在光纤和传感器之间改变光子的颜色，使实现更高性能的操作，包括更快的数据传输速率成为可能。
这项研究成果，展示了小频移对于波分复用通信协议是有用的。波分复用将信号分解成频率略微不同的更小的包后一起发送，然后在接收端将各种频率的载波分离恢复成原信号。
研究人员在实验中证明，在室温金刚石量子内存中，可实现单光子的频率和带宽转换。金刚石量子存储器的工作原理在于，将光子转换成金刚石中碳原子的特定振动，适用于许多不同颜色光的这种转换，将允许对光进行广谱操纵。金刚石的能量结构，允许其以很低的噪声在室温下实现。研究人员利用强激光脉冲，来存储和检索光子。通过控制这些激光脉冲的颜色，研究人员就能控制所要检索光子的颜色。
该平台集光子存储和频谱变换于一体，可用于量子通信中的频率复用，及建立一个非常大的纠缠态，亦称团簇态。团簇态则可作为完全由测量驱动的量子计算资源。
（三）研究光子互动现象的新发现
1．证实两个光子通过撞击可以结合成物质
2014年5月19日，美国物理学家组织网报道，科学家布雷特和惠勒1934年提出，如果让两个光子通过撞击结合在一起，有可能变成物质，形成电子和正电子——这是最简单的“光变物质”方法。但他们也认为这只是理论，从未想过有人能实践证明这一预测。目前能把光变成物质的实验都伴有大量高能粒子，纯光变物质的布雷特—惠勒正负电子对，从未在实验室里被观察到过。
近日，英国伦敦帝国学院物理系教授史蒂夫·罗斯、首席研究员奥利弗·派克，与德国马克思·普朗克研究所物理学家联合组成的一个研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表研究论文称，他们发现了证实这一理论的一个非常简单的方法，并模拟成功。
罗斯说：“布雷特和惠勒首次提出这一理论时，虽然所有物理学家都相信它是真的，但从未在实验室里被证明。在80年后的今天，我们确实找到了利用现有技术即可验证这一理论的简单方法。现在我们把这个方法公布出来，大家就能用我们的方法去实践这一里程碑式的实验。”
报道称，研究小组提出对撞实验涉及两个关键步骤：第一步，先用极强激光把电子加速到接近光速，然后把这些电子发射到一块金板上，生成一束高能光子，这些光子的能量是可见光的10亿倍。第二步，用一个很小的金空腔作黑体辐射，他们向金空腔内表面发射高能激光，产生热辐射场，从而产生类似于恒星发出的光。然后，他们让第一步实验产生的高能光子直接进入空腔中心，让这不同来源的两束光子撞在一起，形成电子和正电子。在电子和正电子离开空腔时，就可能检测到它们。根据蒙特卡洛模拟显示，该系统一次发射能产生大约10万个布雷特-惠勒对。
派克说：“虽然这一理论听起来简单，要想实验证明却非常困难。我们能很快想出对撞的方法，但还要提出能用现有技术来实现的实验设计。我们发现黑体辐射空腔不仅能研究聚变能量，还为创造光子对撞机提供了完美条件。”
研究人员还指出，这一成果，不仅第一次实验证明了布雷特和惠勒的理论，而且这种“光子—光子对撞机”，能利用现有技术把光直接变成物质，代表了新型高能物理实验的进步，这种实验能再现宇宙形成的最初100秒内的重要过程，表现伽马射线爆发，这也是宇宙中最大的爆发和物理学中最大的未解之谜。
2．首次发现高能量下一个光子可被另一个光子散射
2017年8月16日，物理学家组织网报道，欧洲核子中心超环面仪器项目组科学家当天在《自然·物理学》杂志上发表论文称，他们发现了高能量下光子被光子散射的首个直接证据。这一过程极为罕见，两个光子相互作用并改变了方向，这证实了量子电动力学的最早预测之一。
超环面仪器项目物理协调员丹·托沃里说：“这是里程碑式的成果，是光在高能量下自身相互作用的第一个直接证据。这种现象在电磁学经典理论中是不可能的，因此这一成果有助于我们进一步理解量子电动力学理论。”
几十年来，科学家一直难以获得高能光子间散射的直接证据，直到2015年大型强子对撞机第二次运行才为此带来希望。由于加速器以前所未有的碰撞速度撞击铅离子，使获得光子间散射的证据成为可能。
来自美国布鲁克黑文国家实验室的超环面仪器项目重离子物理组召集人彼得·斯坦博格表示，这次测量对于重离子课题组和高能量物理组颇有吸引力，各自的计算结果表明，可以通过研究铅离子碰撞来获得重要信号。
重离子碰撞能提供独一无二的环境，来研究光子间散射。随着大型强子对撞机发出铅离子束，其周围产生大量光子，当铅离子到达超环面仪器并在其中心相遇时，极少的光子可能会发生相互作用和散射。这些相互作用被称为“超外围碰撞”。
在2015年进行的超过40亿次实验中，超环面仪器发现了13个光子间散射候选目标。统计结果显示出标准偏差为4.4，可以作为报告高能现象下光子间散射的第一个直接证据。据了解，超环面仪器项目物理学家，将在2018年大型强子对撞机的重离子运行程序中，继续研究光散射，更多的数据将进一步提高研究精度。
二、光子材料研究的新进展
（一）研发光子晶体的新信息
1．制成不同特性的光子晶体
（1）制造出新型磁性光子晶体。2006年9月，德国卡斯鲁研究所斯特凡·林登领导的研究小组，通过微调材料的磁性而非电性，制造出一种新型的光子晶体。它由金线对构成，金线在此扮演着人造磁性原子的角色。这项发现，使科学家又多了一种在纳米尺度下操控光的方法。
光子晶体泛指有周期性微结构的材料，通常因其电容率的周期性而具有光子能带结构，情形类似半导体中的电子能带结构。由于能量落在能隙中的光子，无法在光子晶体内传递，因此科学家可以借此仔细安排空隙，达到操控光的目的。
到目前为止，可见光波段的光子晶体，都是靠变化材料的电容率ε，但同样的效果也可以靠改变材料的磁导率μ来达成，不过所有已知材料的磁导率在可见光波段都是1，因此科学家一直无法制作靠磁导率变化来操作的光子晶体。最近，林登研究小组依靠超材料克服了这个困难。
该小组采用的金线对宽220纳米、长100微米，之间以50纳米厚的氟化镁隔开，组成周期性排列的一维人造原子晶格，然后置放在用来导光的石英基板上，形成一维的磁性光子晶体。不过林登也承认，此系统离实际应用还有一段很长的路。
物理学家将因为能同时运用电容率及磁导率而拥有更大的设计弹性。该小组目前正根据现有的一维结构，尝试制作三维的超材料，以实现三维的光子能带结构。
（2）研制出兼具电学和光学特征的高性能光子晶体。2011年7月，伊利诺伊大学材料科学和工程学教授保罗·布劳恩领导，埃里克·尼尔森等研究人员参与的研究小组，在《自然·材料学》杂志上撰文称，研发出一种新方法，改变了半导体的三维结构，使其在保持电学特性的同时，拥有新的光学性质，并据此研制出首块光学电学性能都很活跃的新型光子晶体，为以后研制出新式太阳能电池、激光器、超材料等打开大门。
光子晶体材料具有独特的物理结构，它能采用不同于传统光学材料和设备的特殊方式，诱发非同寻常的现象并影响光子的行为，可广泛应用于激光器、太阳能设备、超材料等中。此前，由科学家们研制出的光子晶体，只能得到用光学方法激活的设备，这些设备能引导光，但无法被电所激活，因此，它无法把电变成光，也无法把光变成电。
现在，布劳恩小组研制出的光子晶体，却兼具光学和电学性质。尼尔森解释道，新光子晶体可以让光学和电学性能同时达到最优化，这就使人们能更好地控制光的散射、吸收以及增强。
为了制造出该三维光子晶体，研究人员先让一些细小的球簇拥在一起形成一块模板，接着，他们把一种广泛应用于半导体中的材料砷化镓沉积在模板上，让砷化镓通过模板填充球之间的缝隙。
砷化镓作为单个晶体开始从下往上生长，这个过程被称作外延生长技术，工业界一般使用该技术来制造平的、二维的单晶体半导体薄膜，但布劳恩小组却对这种技术进行了升级改造，用来制造错综复杂的三维结构。
这种自下而上的外延生长技术，消除了制造三维光子结构，普遍采用的自上而下构造方法可能导致的很多缺陷。另一个好处是，它让制造出层层堆积而成的半导体异质结构，变得更方便。例如，可以通过先用砷化镓部分填充该模板，再用另一种材料填满，从而将一个量子势阱层引入光子晶体中。
一旦该模板被填满，研究人员就会移除球体，只留下一个复杂多孔的单晶体半导体三维结构，接着，他们用一层非常纤薄的，具有更宽频带间隙的半导体包裹住整个结构，以改进其性能并阻止表面复合。
该研究小组使用这项技术，制造出首块三维光子晶体发光二极管。这表明，使用这种概念能制造出功能性的设备。现在，布劳恩小组正在努力优化这种方法，以制造出特定功能的太阳能电池、超材料或低阈激光器等。
（3）制造出可耐受上千摄氏度高温的光子晶体。2012年2月，美国麻省理工学院，军用纳米技术研究所工程师赛拉诺维奇等人组成的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们采用金属钨或钽，制造出可耐受1200℃的高温的光子晶体。这种材料可广泛应用于智能手机、红外线化学探测器和传感器、深度探索太空的宇宙飞船等供电装置。
光子晶体指能对光做出反应的特殊晶格，可影响光子运动的规则光学结构，类似于半导体晶体对于电子行为的影响。其晶格尺寸与光波的波长相当，是不同折射率的电介质材料，在空间呈周期性排列构成的晶体结构。
赛拉诺维奇表示，几乎完全可以采用标准的微细加工技术和现有设备，把这种新型耐高温、二维光子晶体制造成计算机芯片。与早期制造的高温光子晶体的方法相比，采用新方法制造出的材料具有更高性能、简单操作、坚固耐用等特点，适合低成本的大规模生产。
美国国家航空航天局也对这种材料很感兴趣，因为它具有为深度探索太空提供永续动力的潜力。完成这样的任务通常利用少量的放射性物质的能量，采用放射性同位素热电源，可以连续不间断作业多年，而不像太阳能供电站，到了冬天就会出现发电不足的情况。
这种耐高温光子晶体应用前景十分广阔，可用于太阳能光热转换或太阳能光化学转换装置、放射性同位素的供电设备、氮氢化合物发电机或工业领域电厂余热回收的配套设施等。但制造这种材料还存在许多障碍，高温会导致晶体蒸发、扩散、腐蚀、开裂、熔化或快速化学反应。为了克服这些挑战，该研究小组正在对高纯度的钨，在结构上进行专门精密的几何设计，以避免材料在被加热时损坏。
2．应用开发光子晶体的新成果
（1）用光子晶体技术开发显示器。2007年8月，加拿大多伦多大学和英国布里斯托尔大学联合组成的一个研究小组，在《自然·光电子》杂志上发表研究成果称，他们开始利用光子晶体技术，制造一种新型的柔性电子纸显示器。这种光子晶体显示器不同于其他此类装置，首次实现了像素单独可调，能够将每个像素调节成任何颜色，从而提供更鲜艳的颜色和更高的清晰度。
光子晶体技术通过控制光子晶体的间距，来影响它们反射的光波长。光子晶体类似于半导体晶体，半导体晶体影响电子的运动，光子晶体则影响运动光子的运动。光子晶体显示器中的每个像素，都包含数百个硅球体。上述每个光子晶体的直径约为200纳米，嵌入一个海绵状的压电聚合物中。这些压电聚合物材料，又被嵌在充满电解质液的一对电极之间。只要给电极施加电压，电解质就会进入聚合物，并使之扩张。膨胀推动硅珠分离，从而改变其折射率。随着硅珠之间的距离变大，反射光的波长相应增加。当每个像素的颜色均可控制时，显示器的色彩质量得以大幅提高，而且清晰度也相应提高。此外，一旦某个像素被调校到某种颜色，该像素可在数天内保持此种颜色。事实上，如果使晶体稍大一些，有可能使它们超出可见光范围进入红外光。这种效应肉眼是看不见的，但可以用来制作能控制热能通过的智能窗口。
目前，光子晶体系统的像素开关时间为小于1秒，与其他电子纸显示器不相上下，但尚未达到视频速度。专家预测，两年内使用光子晶体技术的第一个显示器将面市，最可能的应用是广告板。但光子晶体显示器完全取代传统显示器还有漫长的路要走，该技术目前处于研发的初期阶段，还有很大的材料改进和性能优化的空间。
（2）首次在晶体中存入光量子纠缠态信息。2011年1月，加拿大卡尔加里大学物理系教授沃夫冈·泰特尔，与德国科学家共同组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们首次成功地在一种特殊晶体中，存入光量子纠缠态的编码信息。
参与研究工作的加拿大科学家认为，该项研究成果，是量子网络发展的一个里程碑，有望在不久的将来让量子网络成为现实。泰特尔介绍，他们在研究工作中，将数据信息编码成光量子的纠缠态。在这种状态里，光量子之间形成“纠缠”关系，即便是它们游离开来相距甚远，也会保持这种“纠缠”关系。在某种程度上讲，这种“纠缠”关系，意味着量子之间尽管相距甚远，还将存在着通信联系。但困难在于，如何能够使它们固定不动而不破坏这种脆弱的量子链接。
为了实现这个目的，研究人员使用了一种掺入稀土离子的晶体，并将其冷冻到-270℃。在此温度下，晶体材料性质发生变化，使得研究人员可以存储和提取这些量子，而不产生明显的退化。泰特尔表示，研究结果显示，量子所拥有的“纠缠”这种物理性质，并不像我们以前所通常认为的那样“脆弱”。
研究人员表示，研制这种记忆存储元件区，使用的几乎全部是现存的标准制造工艺。他们认为，能够与现有技术实现成功嫁接非常重要，这样可使这种基础研究成果，尽快进入实际应用。
目前的网络通信，信息是通过光脉冲在光纤中传输实现的。传输的信息可存储在计算机硬盘里以备使用。而量子网络与光纤网络的传输原理相似，但传输载体却非使用光脉冲。在量子通信中，也需要存储和提取数据信息。量子网络的一大优势，是可以保护信息在传输过程中不被第三方截取。
（二）研发光子材料的其他新信息
1．研制出在室温下稳定生成单一光子的复合材料
2012年4月17日，日本产业技术综合研究所高级工程师山崎聪与大阪大学副教授水落宪和等人组成的一个研究小组，在《自然·光子学》网络版上发表研究成果称，他们在世界上首次利用钻石发光二极管，在室温下稳定生成单一光子的复合材料，这将推动量子密码通信和量子计算机相关技术的发展。
研究人员介绍说，他们以人造钻石为原料，在其中埋入由碳原子空穴和氮原子组成的复合体作为发光中心，形成在室温下稳定生成单一光子的复合材料，解决了制约单一光子源实用化的能源和成本瓶颈。
量子密码通信从理论上说无法窃听，是一种理想的通信技术。近年来，世界许多国家和企业都在研究。实现量子密码通信，必须有稳定的单一光子源，能在需要的时候简单、精确地发出一个个载有信息的光子。迄今为止，单一光子源多采用量子点或有机分子，但它们在室温下很不稳定，需要用极低温来冷却，而且必须用激光激发，增加了能源消耗和成本。
在这项研究中，日本研究人员用无杂质的高品质人造钻石做发光层（i层），在中间埋入发光中心，这个发光中心由一个除去碳原子的空穴和一个氮原子组成。但是没有杂质的钻石不能导电，研究人员又制作添加磷的N层和添加硼的P层，将i层夹在中间，形成拥有P－i－N构造的元件。
经光子相关光谱法等精密方法测试，只要让电流流经该元件的发光层，发光中心就能稳定产生单一光子，证实了该元件能在室温下作为单一光子源工作。这为研发节能、低成本的量子密码通信技术开辟了道路。另外，发光中心还具备优秀的自旋性能，有可能作为量子计算机的元件使用。
2．通过诱导光子相互作用制造出全新的物质形态
2013年9月25日，物理学家组织网报道，美国哈佛大学物理学教授米哈依尔·卢金领导的研究小组，当天在《自然》杂志上发表论文称，他们在特定的媒介下，诱导光子依附在一起形成了分子，这种全新的物质形态不仅挑战了光子之间不会相互作用这一传统观念，也有望用于量子计算机、传统计算机以及其他领域。
卢金表示，人们一直认为，光子没有质量，不会相互作用。但在我们制造的特定媒介中，光子之间发生了相互强烈的作用，使得它们开始像拥有质量一样，并依附在一起形成了分子。很久以前，我们就对这种光子依附状态进行了理论探讨，但迄今为止，一直没有被观察到。
在实验中，研究人员首先将铷原子泵入一个空腔中，接着，使用激光将原子云冷却到绝对零度之上几度，再用极微弱的激光脉冲将单个光子射入原子云中。
卢金说，当光子进入原子云中，其能量会激发原子沿着其路径行进，导致光子的速度急速下降。随着光子通过原子云，其能量也从一个原子传递到另一个原子，并最终同光子离开了原子云。
但当研究小组把两个光子射入云中时，他们吃惊地看到，两个光子就像一个分子一样一起退出。卢金解释道，这是因为里德堡封锁效应。在这种状态下，当一个原子被激发时，其周围的原子不能被激发到相同的程度，这就意味着，当两个光子进入原子云中时，第一个光子激发一个原子，但在第二个光子激发相邻的原子之前，其必须向前移动。结果就是，两个光子在原子云中相互推拉，同时，它们的能量也从一个原子传递到另一个原子。
卢金说：“这是一个由原子间相互作用调控的光子间相互作用，使两个光子像一个分子一样，而且，当它们退出媒介时，它们更有可能一起退出媒介。尽管这种效应并不常见，但它的确有用。”
卢金解释称，首先，其可用于量子计算机内。光子被认为是最可能作为量子点携带量子信息的粒子，但其缺陷在于光子间不会发生相互作用。最新系统表明我们可以做到这一点。不过，我们还需要改进其性能，才能制造出一套实用的量子开关或光子逻辑门。
卢金说，鉴于芯片制造商们目前面临的功耗挑战，这套系统甚至有望用于传统计算机中。目前，包括IBM在内的多家大公司都在设法研发依靠光子路径的系统，这样的系统能将光信号转变成电信号。另外，这样的系统或许也能被用来制造复杂的完全由光制成的三维结构。
三、光子开发利用的新信息
（一）计算机领域开发利用光子的新进展
1．利用光子研制开发计算机新型硬件
用自旋光子加快硬盘的检索和存储速度。2009年5月30日，法国斯特拉斯堡材料物理和化学所让·伊维斯·毕高领导的研究小组，在《自然·物理学》特刊上发表一项研究成果表明，他们利用超高速激光器，把硬盘数据的存储和检索速度提高了10万倍，从而为新一代IT技术的开发指明了方向。
此项技术建立于2007年诺贝尔物理学奖获得者、法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔的研究成果之上，这两位科学家在20世纪90年代开创了革命性的小型存储技术，他们发现磁场的微小变化可产生大量的电力输出，这些差异反过来又引起硬盘读取头的电流变化。这一发现，开辟了一条实现硬盘高密存储的新途径，它基于“自旋电子学”原理，不仅利用电荷，而且利用单个原子中的电子自旋来存储信息。但是，通过自旋电子的数据读写速度，一直受制于相对缓慢的磁传感器。
毕高研究小组的新成果，解决了上述问题：他们使用飞秒激光器发出的超高速激光，改变电子的自旋，从而加快了检索和存储速度。
2．利用光子研制开发新型计算机基础元器件
（1）研究用光子制造量子计算机逻辑门。2015年8月24日，加拿大多伦多大学量子信息和量子计算中心研究员、加拿大先进技术研究院资深研究员埃弗赖姆·斯坦伯格领导的研究团队，在《自然·物理学》上发表论文称，他们在利用光子打造量子计算机基础元件逻辑门的研究工作中取得进展，成功通过单光子对其他光束施加影响。
逻辑门对输入数据进行运算，创建新的输出。在传统计算机中，逻辑门采用二极管或晶体管的形式。但量子计算机组件由单个原子和亚原子粒子制成。根据量子理论，信息处理将通过粒子之间的相互作用完成。
光子在量子计算中具有很多优点，但要让其以有用的方式彼此作用却是个老大难问题。该研究团队的最新研究成果，则展示了如何创建这样的交互作用。
斯坦伯格表示，新研究展现了单光子对另外光束的影响。光束在一般情况下可互不影响地彼此穿过，要打造光量子计算机，光束就必须相互“交谈”，但之前还没有使用单光子实现过。
研究人员首先把一个单光子，打在已冷却到高于绝对零度百万分之一度的铷原子上。光子于是和原子发生“纠缠”，影响铷原子与一道单独光束相互作用的方式。光子改变了原子的折射率，从而引起光束发生很小但又可测量的“相移”。
这一过程，可用作全光量子逻辑门，实现输入、信息处理和输出。斯坦伯格表示，量子逻辑门是该项研究进展最显著的应用，能够观察到这些相互作用使光学研究领域又翻开了新的一页。
（2）利用光子研制量子计算机光学电路。2016年3月，荷兰代尔夫特理工大学光学专家艾斯迈尔·扎德领导的一个研究小组，在最新一期《纳米快报》杂志上发表论文称，他们找到了一种能够完全集成在光学电路中，进行光学量子计算的单光子源。该发现，为单光子量子计算的出现铺平了道路。
到目前为止，不少研究团队已经能用数个光子在小规模上进行光学量子计算，线性光学量子计算的可行性已获充分证明，但单光子量子计算仍然鲜有涉及。
研究人员称，要打造一个高效的单光子量子计算系统，面临的最大挑战，是将多个此前互不兼容的组件整合到一个平台上。这些组件，包括一个单光子源（例如量子点）、路由设备（例如波导），以及用于操纵光子的腔体、过滤器，还有量子门装置和单光子探测器。在新的研究中，研究人员创造性地把能产生量子点的单光子，嵌入一段纳米导线内，并将其封装在一个波导当中。要实现这一点，需要有极高的精度，他们使用了一种名为“纳米机械手”的部件。一旦进入波导内，研究人员就能操纵单光子使其进入特定的光学电路。
扎德说：“我们提出并实现了集成量子光学，它能兼顾高品质单光子源和硅基光学的优势，是一种混合解决方案。此外，与类似研究不同的是，该技术是完全确定的，即具备所选属性的量子源与量子电路是一体的。新方法，有望成为未来可伸缩集成量子光学电路的基础部件。此外，该平台还为物理学家研究纳米尺度，以及量子电动力学中光与物质的相互作用，提供了一种新工具。”
线性光学量子计算中最重要的性能指标，是单光子源与光子信道之间的耦合效率。低效率代表光子的损失，会降低计算机的可靠性。目前试验装置已经能够达到24%的耦合效率，并且经过对波导设计和相关材料的优化，这一数据有望提升到92%。除了提高耦合效率，研究人员还计划在芯片上实现纠缠，以增加光子电路和单光子检测器的复杂性，最终在芯片上集成量子网络。
（二）通信领域开发利用光子的新进展
1．利用光子建立确保通信安全的密钥系统
（1）以单光子编制成“不可破译”的量子密码。2006年4月，美国商务部国家标准与技术研究院的一个研究小组，在光纤内获取基于量子物理学原理的速度最快的“不可破译”编码的原始代码，从而向利用常规高速网络（包括广域因特网和局域网）传输，超安全视频迈出了坚实的一步。
该研究小组在不同的方向，利用单一的光子，即光束的最小粒子，产生连续的二进制编码，或者称作“密钥”，来提供加密信息。量子加密的原理就是删除任何中途截取者，从而保证绝对安全的密钥交换。
通过实验室系统，研究人员首先在长1千米的光纤中，以超过每秒400万比特的速率，产生原始密钥，这个速度是上个月报道的最快速度的两倍。接下来在长4千米的光纤中，尽管速度有些缓慢，但系统还是成功地获得了密钥。达到最高速度的错误概率只有3.6%，这一概率被认为是相当低了。
下一步，是对原始密钥进行处理，使用国家标准与技术研究院自主研发的技术，对错误进行纠正，并进一步增加私密性，然后在原始速度减半的情况下产生密钥，即每秒200万比特。
（2）用光子技术促使量子密钥分配系统大幅提速。2017年11月24日，美国杜克大学、俄亥俄州立大学和橡树岭国家实验室联合组成的一个研究团队，在《科学进展》杂志网络版发表论文称，他们用光子技术开发出的一种新型量子密钥分配（QKD）系统，能够以兆比特每秒的速率创建和分发加密码，比现有方法大幅度提速，即使同时运行多个系统，仍可与目前的互联网速度匹配。研究人员表示，新技术或使量子加密技术向大规模应用加速迈近。
密钥加密，需要收发数据的双方使用相同或对称的密钥，对明文进行加密解密运算。随着计算能力的提升，目前广泛使用的RSA公钥密码算法会越来越容易被破解。而量子加密技术则被认为是未来保证网络通信安全的有力工具。量子加密技术利用了量子力学的基本原理，即对量子态进行测量将会改变最初的量子态，来保证其安全性，窃密者的存在会导致误码出现，从而提醒收发双方存在安全漏洞。
目前，量子加密技术尚处于发展初级阶段，密钥传输速率很低，只有几十到几百千比特每秒，极大地影响了其实际应用。此次，该研究团队开发的新型量子密钥分配技术，虽与多数量子密钥分配系统一样，使用弱激光来编码单个光子信息，但通过调整光子相位和释放光子的时间，能将更多的信息添加到单个光子上。结合专门开发的高速接收机，新系统传输密钥的速度，比目前其他系统快了5~10倍。
从理论上说，量子加密技术是完全安全的，任何侵入密钥交换的尝试都会很容易被接收方发现。但现实中，设备的局限性会导致漏洞存在，给黑客可乘之机。而研究人员证明，即使用可能导致漏洞出现的缺陷设备，该技术也可以避免常见的攻击。
研究人员表示，虽然新系统的发射机需要一些特殊部件，但所有组件目前都可以在市场上买到。用光子编码的密钥可以通过现有光纤传送，发射机和接收机很容易集成到现有的网络基础设施中，因此这一新技术极有潜力推动量子加密技术的大规模使用。
2．不断加强光子在通信领域应用的研究
（1）推进以单光子作为量子信息载体的研究。2012年2月，瑞士苏黎世联邦理工学院和德国马克斯·普朗克研究所联合组成的研究小组，在《物理评论快报》杂志上发表研究成果称，他们用单个光子激发单个分子，实现了两个单分子间的信号传送。在实验中，可让单个分子模拟光频，把单光子流传递给相距数米的另一个分子，如同两个站点之间的无线电通信。这为开展以单光子作为量子信息载体，由单个发射器进行信息处理的进一步研究铺平了道路。
过去20年，科学家已证明能探测到单个分子，也能生成单光子。然而，单个分子发现并吸收单光子的概率很低，由光子激发分子仍难以捉摸，因而通常需要每秒释放数十亿光子来轰击分子，才能从中获得一个信号。规避这一物理学难题的一般方式是，在原子周围构建一个腔洞，使光子能够长久囚禁其中，以保持两者良好的互动概率。
而此次实验的挑战之一，就是获取具有适当频率和带宽的单光子来源。研究小组利用了一个事实：当一个原子或分子吸收单光子时，它将过渡到激发态。在几纳秒后，激发态将衰变为最初的基态，并放射出单个光子。
在实验中，研究人员把两个嵌入有机晶体之中的荧光分子样本，冷却到-272摄氏度。每个样本中的单个分子，都能由光谱选择结合空间。为了生成单光子，单个分子将从“源头”样本中激发而出。当分子的激发态衰变时，放射出的光子将紧紧聚集于距离几米之外的另一个“目标”样本之上。为了保证样本中的单个分子能够“看到”入射的光子，研究小组必须保证它们处于同一频率。此外，珍贵的单光子也需要与单个目标分子进行有效的互动。
研究人员表示，这是两个量子光学天线之间长距离通信的首个例子。单个分子一般大小为1纳米，而聚集的光束却不能小于数百纳米。这通常意味着大多数的入射光都会环绕分子进行运动，而无须“看见”对方。然而，如果入射光子与分子的量子力学过渡产生共鸣，在这个过程中，分子可像天线一般发挥作用，抓住其附近的光波。
（2）利用卫星反射光子证实太空量子通信完全可行。2014年7月1日，物理学家组织网报道，意大利帕多瓦大学一个研究小组，日前通过对4个在轨飞行卫星的实验，证实了卫星之间，以及卫星与地面站之间进行量子通信，是完全可能的。相关论文发表在著名的预印本网站数学文献库上，该研究为基于卫星的广域量子通信，提供了广阔的想象空间。
科学家们已经找到了通过光纤进行量子信息传输的方法，并获得了成功。但由于光子在玻璃中的传输会发生一定程度的衰减，这种方法在传输距离上目前还比较有限。此外，也有科学家直接通过空气进行两点之间的量子信息传输，但干扰等问题的存在，仍然极大地限制了量子通信的距离。目前，量子态隐形传输最远的记录，只有144千米。
太空量子通信更是难上加难。因为量子信号在通过地球大气层时产生的错误率，会远超过11%的阈值，而超出了这个极限，量子密码就无法正常工作。因此，不少科学家都认为地球与太空之间的量子通信是不可行的。
报道称，新研究中，意大利的研究小组试图改变这一成见。该小组发现了一种利用现有卫星实现量子通信实验的方法，并精心挑选出了4个在轨运行的卫星，它们都具有能够反射光子的金属立体角反射镜。研究人员认为，借助这些卫星保留光子的极化，将能够让太空量子通信成为可能。为了对比实验结果，他们还选择了另一个没有立体角反射镜的卫星。
当卫星过顶时，研究人员在意大利的马特拉激光测距观测站，向所有的卫星都发出了光子信号，并测定卫星何时能将数据返回。研究人员发现正如预期的那样，没有立体角反射镜的对照卫星出现了高达50%左右的错误率，而另外4个具有立体角反射镜的卫星，数据错误率全部都低于11%的阈值。这表明，这些卫星能够产生连贯的光子信号，并与地面站之间进行完全安全的量子通信（利用量子密钥分配）。
（三）记录与测量领域利用光子的新进展
1．光信息记录领域利用光子的新成果
利用量子效应拍出无须光子与拍摄目标相互作用的照片。2014年8月28日，奥地利科学院物理学家安东·泽林格领导，该院学者伽布里拉·莱默斯等人参加的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们设计出一种新奇方法，无须光子与拍摄目标相互作用而利用量子效应拍出照片。这听起来似乎颠覆了传统物理的成像原理，他们用一个镂空的猫图案进行了实验，虽不是一张同时“要死要活”的薛定谔猫照片，却是粒子能同时处于两种状态的证明。
据报道，量子成像要用成对光子，也就是纠缠的“孪生光子”，其中一个光子的量子态会与另一个连在一起。一个光子以某种概率可能地通过拍摄目标，另一个则进入探测仪。但进入探测仪的光子却“知道”它孪生兄弟的命运，研究人员就是根据它“知道”的情况构建出图像来。
通常人们要收集从物体上反射来的光子才能拍照。泽林格说：“现在，你第一次不用这么做了。”这种技术的一个优点就是，两个光子的能量不一定要相同，这意味着接触目标的光与检测信息用的光可以有颜色差异。比如，一个量子成像仪可以发射低能光子通过微量生物样本，而用可见光波段的光子和传统照相机来拍照。
该研究小组在1991年提出了这项技术的理论，实验系统包含把每个光子转变为一对纠缠光子的晶体，让每个光子有两条飞行路径，但只有一条路径通过拍摄目标。
莱默斯说，按照量子力学法则，如果不对光子通过了哪条路进行检测，它实际上相当于通过了两条路，在每条路上同时产生一个光子对。在第一条路径上，光子对中的一个光子通过了拍摄目标，而另一个没有。那个通过目标的光子会与另一个“概率自己”，也就是可能选择了第二条路径而没有通过目标的光子，重新结合，然后继续飞开；其余从第二条路径通过的光子，也会与它第一条路径上的自己重新结合，然后直接进入摄像机，摄像机就利用这些光子来构建图像，虽然这些光子从未与拍摄目标相互作用过。
研究人员拍了一张几毫米宽的镂空猫图样，还有几张蚀刻在硅片上的其他图样。他们用摄像机无法检测到的光波长来探测到了图形。泽林格说：“这一点非常重要，这是量子成像确实起作用的证据。”
泽林格解释说，选择猫形是为了纪念薛定谔1935年提出的著名思想实验。他假设了一只猫在盒子里同时处于死活两种状态，因为没人知道盒子里的毒药是否释放。同样，在新实验中，没人知道光子选择了哪条路径，由此产生了光子对中，那个走两条路而不通过目标的光子。
2．测量科学领域利用光子的新成果
利用纠缠光子开发超精密测量技术。2015年6月，加拿大多伦多大学物理系量子光学博士生罗泽马·李等人组成的研究小组，在《物理评论快报》网络版上发表研究成果称，他们首次利用纠缠光子，克服了测量科学中的一个重大挑战。新开发的多探测器方法，可测量出纠缠态的光子，实验装置使用光纤带收集光子，并将其发送到由11个探测器组成的阵列。此项研究，为使用纠缠光子开发下一代超精密测量技术铺平了道路。
罗泽马·李称，新技术能利用光子，以经典物理学无法达到的精度进行测量。现存最灵敏的测量技术，从超精确原子钟到世界上最大的望远镜，均依赖于检测波之间的干涉，这种干涉发生于两个或更多个光束，在相同空间的碰撞。该研究小组使用的量子纠缠态包含N个光子，它们在干涉仪中均被保证采取同样的路径，即N个光子要么全部采取左手路径，要么全部采用右手路径。
干涉效应可用干涉仪进行测量。干涉装置的测量精度，可通过发送更多的光子加以改善。当使用经典光束时，光子数目（光的强度）增加100倍，干涉仪的测量精度可提高10倍，但是，如果将光子预先设置在一个量子纠缠态，干涉仪在同等条件下的测量精度则同步增长100倍。
科学界虽已了解到测量精度可通过使用纠缠光子加以改善，但随着纠缠光子数的上升，所有的光子同时到达相同检测器的可能性微乎其微，因此该技术在实践中几无用处。该研究小组于是开发出，一种使用多个探测器来测量纠缠态光子的新方法。他们设计了一种使用“光纤带”的实验装置，用以收集光子，并将其发送到11个单光子探测器组成的阵列。
这使研究人员能够捕捉到几乎所有最初发送的多光子。罗泽马·李称，同时将单光子，以及两个、三个和四个纠缠光子送入检测设备，测量精度可得到显著提高。《物理评论快报》的评论指出，该项技术为提高成像和光刻系统的精度，提供了一种行之有效的新途径。
四、研究光子出现的新技术
（一）创建与储存光子的新技术
1．探索创建光子的新技术
研究快速高效创建单光子的新技术。2012年4月，美国佐治亚理工学院的一个研究小组在《科学快讯》上发表研究成果称，他们利用激光从超冷的铷原子气体云内激发单个原子，开发出一种能快速、有效创建单光子的新技术，并有望应用于光量子信息处理之中。
这套新的单光子系统，为研究原子的纠缠态和自旋波等，提供了“肥沃的土壤”。研究人员能相当高效地把里德伯激发转化为单光子，随时获取所需的状态，速度可比现有系统快近千倍。
里德伯原子是指一个价电子被激发到高量子态的高激发原子。其价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。为了获取里德伯原子，研究人员利用激光照射数百个密集的铷87原子。它们都被激光所冷却，并被限制在光学晶格中。激光照射将使单个原子从铷原子气体云中转化为接近电离的里德伯态。原子处于这种高度激发的状态时，将在10~20微米的范围内，与其他里德伯原子发生强烈的相互作用。通过修改单个里德伯原子的能量水平并在其周围保有相应的空间，可阻止额外的原子被转化为里德伯态。
一旦高度激发的原子被制成，研究人员便可利用额外的激光场，把激发转化为具有同样统计属性的量子光场。由于场由单个里德伯原子生成，它只包含一个光子，这可被用于多种场合之中，对于量子信息系统等领域的研究也十分重要。研究人员表示，在首次实验中，生成的单光子的性能，已超过其他类型的单光子。随着效率和生产率的进一步提升，以及和“长寿的”量子存储器的融合，这一单光子来源或可实现光量子的信息处理。
研究小组表示，下一步，他们将致力于开发两个光场之间的光子量子闸。如若成功，将支持他们制成原子和光的复杂纠缠态，这将为量子网络和量子计算添加宝贵的性能。
2．探索储存光子的新技术
（1）研究储存单个光子的方法。2005年12月8日，美国佐治亚理工学院教授亚历克斯·库兹密歇、布赖恩·肯尼迪领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表文章称，他们储存并取用单个光子，这个光子发送自充满铷气的远程量子存储器。这一工作，代表了量子通信和量子计算机网络技术的巨大进步，这一网络可以使用光子和原子来储存和处理信息。
然而，研究人员谨慎地表示，即便他们的初步网络操作已经成功，离光子网络的实际运用还为时尚远。
从实用角度看，在量子存储器中，储存并取用光子是朝着“量子转发器”发展的重要一步，这种设备可用于通过光纤长距离的传送量子信息。
现有的通信网络，使用传统的光通过光纤发送信息。要长距离地传送信息，这一类信号必须每隔一段时间就由中继站中继，而在量子网络中，无须这种中继站。
要短暂地储存光子，必须对阻碍磁场进行仔细控制，这一磁场之所以能起到作用，是因为铷原子已被冷冻到无法大幅运动的地步。
量子信息是非常脆弱的，如果有磁场存在就会改变原子的相位，这样就会丢失信息，目前，这的确限制了这种技术在量子网络中的运用。
该研究小组希望，未来在他们比较原始的量子网络中，增加更多的节点，并能通过光子解析有用的信息。
（2）开发出超密度存贮单个光子的技术。2007年1月，美国罗彻斯特大学物理学副教授约翰·赫威尔负责的研究小组，在《物理学评论快报》杂志网络版上发表论文称，他们在光学研究领域取得突破，这项技术突破使得研究小组能够把图像有价值的数据编码到一个光子，缓冲图像存贮速度，然后完整无缺地对图像进行还原。
当他们使用由几百像素组成的最初测试图像进行试验时，研究人员能够运用该项新技术对大量的信息进行存贮。
罗彻斯特大学的字母缩写“UR”图像，是利用光的单脉冲创造出来的。研究小组能够将成百上千这样的脉冲，同时变得适合在一个微小的4英寸大小的单元内。这项技术，把信息压缩到如此微小的空间，并完整无缺地进行还原，使光学缓存（用光存贮信息）成为可能。
目前，光学存储是一个非常热门的领域，因为工程师们正致力于利用光来加速计算机处理速度和网络速度，但当他们面临不得不将光信号转化为电信号，以存储信息这一难题时，哪怕只是进行短暂的存储，他们的系统都陷入了困境。
赫威尔研究小组，使用一种全新的方法来保存脉冲所携带的所有信息。经缓存后的脉冲，基本上是一种完整的原始信号，几乎不存在失真，没有附加的衍射，而且这一原始信号的相位和振幅全部得以保存下来。赫威尔甚至想通过正在进行的研究工作证明量子纠缠也安然无损。
迄今为止，赫威尔研究小组已能够延缓光脉冲100毫微秒，并能够将它们压缩到其原始长度的1%。他现在正研究如何将许多脉冲延缓几毫秒的方法，以及将1万个脉冲延缓到一毫微秒的方法。
（二）操控与传输光子的新技术
1．开发操控光子的新技术
研制出快速操控光量子状态的新技术。2012年2月，英国布里斯托大学的达米恩·博诺领导，英国赫瑞瓦特大学、荷兰卡弗里纳米科学研究所研究人员参与的一个研究小组，在《物理评论学快报》杂志上发表研究成果说，科学家一直希望用光子代替电子实现更快捷安全的光通信，现在，他们研制出一项新技术，能更快速地（在几纳秒内）控制，与目前光通信网络中所用光波波长一样的光子路径和偏振，新光子电路可整合进现有的光通信网络中，从而显著改进网络的性能。这项最新研究，朝实现光量子通信迈进了一步。
研究小组，在对一个由电路组成的量子光学设备进行研究时发现，单个光子会移动穿过这些电路，这些电路也能被重新配置从而改变光子的路径和偏振方向。然而，这种量子光学电路，无法快速操纵单光子和多光子的状态。为了解决这一问题，他们使用了已被证明能在现有通信调制器中进行快速操纵的铌酸锂波导，并证明对电极附近的波导施加电压，能快速操控，由波长为1550纳米的一个或两个光子组成的光的量子状态，其中包括路径和偏振，该波长正是现有通信网络中采用的波长。
博诺表示：“在这个实验中，我们演示了两种电路配置，每种电路配置，都会导致不同的量子状态，一次配置仅需几纳秒，而在以前的实验中，每几秒才能对电路进行一次重新配置。现在的通信网，每天都在使用由同样技术制成的开关，来传递由光脉冲编码的信息字节，从原理上来讲，这样的开关也能用于单光子层面。”
博诺表示：“迄今为止，在芯片上操纵光的量子状态一直依靠加热器，其能作为慢速移相器来使用。最新研究表明，铌酸锂波导能采用一种与以前迥然不同的方法，来更快速地操控光的量子状态。现在，我们不仅能打开和关闭光包，以便按规定路线发送传统信息，也能够快速处理和操纵光的量子状态。”
研究人员指出，能在单个平台上，快速控制单光子的偏振和路径，对基础量子科学和量子技术来说，都至关重要。博诺表示，制造这些设备的铌酸锂材料也能随机产生光子，另外，具有超导性的单光子探测器，也能被整合在这样的芯片上。一个结合了能随机产生光子的光源、电路，以及探测器的技术平台，可用于以下几方面：通过对几个光子来源进行多路传输，从而获得可靠的单光子源、长距离量子通讯需要使用的量子继电器、量子密码学中用到的量子密钥分配等。
2．开发传输光子的新技术
（1）研究光子与电子联姻传输的量子隧穿技术。2012年4月5日，英国剑桥大学卡文迪什实验室物理学家杰里米·鲍姆博格领导，皮特·克里斯托弗里尼等人参与一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们根据量子力学原理，首次利用光子让电子穿过经典力学里无法穿越的“墙壁”（势垒），实现了量子隧穿，科学家们有望借此技术研制出新的凝聚态。
在量子力学里，量子隧穿效应为一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。正常情况下，粒子无法穿过这些“墙壁”，但如果这些粒子足够小，这一切就可以发生。在放射性衰变发生时、在很多化学反应中以及在扫描隧道显微镜内都会出现这种量子隧穿效应，这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，因而有不为零的概率穿过这些“墙壁”。
鲍姆博格表示：“告诉电子如何穿过‘墙壁’的技巧，是让光子同电子‘联姻’。”
研究人员解释道，这场“联姻”是“命中注定”的，因为光以共振腔光子的形式出现，我们把一束光捕获在镜子之间，让其在镜子间来回反弹，光子把电子夹在中间，让电子振动穿过墙壁。
克里斯托弗里尼指出：“这场‘婚姻’产生的后代，实际上是新的不可分割的粒子，这些粒子由光和物质组成，可以自由地通过像平板一样的半导体‘墙壁’而消失。”
研究人员表示，新粒子的独特特征之一，是它们会朝一个特定的方向延伸，而且它们之间也存在着强烈的相互作用。
目前，很多试图制造出“凝聚态”的半导体物理学家，正在密切关注这些相互作用强烈的粒子。“凝聚态”指的是由大量粒子组成，且粒子间有很强相互作用的系统。低温下的超流态、超导态、玻色—爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁态、反铁磁态等都是凝聚态，它们能在半导体内毫无损失的“旅行”。
这些新的带电粒子也具有量子力学特征，即能同时出现在两个地方，因此，研究人员有望使用这些新粒子，借用肉眼可见的量子力学，将原子物理学家的想法变为实用设备。
（2）开发出光与光系统间量子信息隐形传输的技术。2013年6月7日，美国每日科学网站报道，几年前，科学家们就成功地实现了光与光系统间的量子信息隐形传输。2006年，丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所一个研究小组，成功地实现了光和气态原子间的量子信息隐形传输。现在，他们在《自然·物理学》杂志上发表论文称，又实现了量子信息在两团气态原子云间的隐形传输，且已取得了稳定的结果，数次尝试均告成功，这被研究人员视为非常重要的一步。
研究人员在实验中用到了两个相互独立的玻璃容器，每个容器内包含有由数十亿个铯气态原子组成的云团。他们首先朝第一个玻璃容器内发送激光，接着，奇异的量子现象发生了：光和气体相互纠缠在一起，这意味着它们已经建立了某种量子连接。
这两个玻璃容器都置于一个拥有磁场的房间内。当具有某一特定波长的激光照射在气态原子上时，原子内部最外层的电子会像磁针一样指向同一个方向——朝上或朝下。科学家们解释道，正是这一方向组成了量子信息，就像计算机的信息由0和1组成一样。
这些气体会发出包含有量子信息的光量子，这些光随后被发送到第二个气体容器上，此时，研究人员也从光那儿读取到了量子信息，并用探测器对光量子进行了登记。然后，探测器发出的信号被传回第一个容器，结果发现，该容器里原子内的电子方向会根据信号进行调整。这样，他们就实现了量子信息从第二个容器到第一个容器的隐形传输。
研究人员表示，实验在室温下进行，这使得气态原子能在玻璃容器内以每秒200米的速度移动，导致它们会不断撞上玻璃壁，从而失去其携带的量子信息。但研究人员在玻璃容器内部涂上了一层石蜡避免了这一点。此外，一种非常灵敏、可以有效地探测到光量子并进行登记的探测器，也促进了结果的稳定性。
不过，最新实验中信息隐形传输的距离仅为0.5米，与现实中动辄几千千米的传输距离有天壤之别。对此，研究人员表示：“0.5米这一距离完全囿于实验室大小所致。从理论上来讲，我们可以增加距离，甚至可以将信息远距离传输到卫星上。稳定的实验结果，让我们朝着构建出未来的量子信息网络前进了一大步。”
（三）开发光子纠缠或量子纠缠的新技术
1．开发纠缠光子与远距离传输纠缠的新技术
（1）提出产生纠缠光子的新方式。2014年4月，加拿大多伦多大学先进技术研究所研究员爱丽克斯·哈耶特主持的研究小组，在《物理评论》上发表论文提出，在量子纠缠的基础上，把发光二极管与超导体结合在一起，就可产生出纠缠光子，从而为量子计算机和量子通信器件的发展开辟新途径。
量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，无论其距离有多远。测量纠缠对中一个粒子的特性，便可知晓另一个的特性。这是量子力学中最令人困惑的一个方面，爱因斯坦称为“远距离幽灵行为”。
哈耶特解释说：“发光二极管等常规光源发出的光子，表现出无任何相关关系的随机性。新研究证明，发光二极管发射的光子之间的纠缠，可通过添加另一个特有物理效应超导性来实现。”
超导性是指某些材料在低温条件下，其电阻可降为零。当电子以库珀对纠缠在一起时就会发生这种现象，此时一个电子沿某个方向自旋，另一个电子则沿反方向自旋。当一层具有超导特性的材料与半导体发光二极管结构紧密接触时，库珀对就会注入发光二极管，纠缠电子对便会创建出纠缠光子对。此效应，原本只在使用纳米厚度有源区域量子阱的发光二极管中出现。
哈耶特表示，通常情况下，量子特性出现在非常小的尺度上：一个电子或一个原子，超导性使量子效应可出现在大尺度上：一个电子器件或整个电路。这种量子行为一般情况下可显著提高光的辐射，特殊情况下则可纠缠光子辐射。
（2）开发远距离传输纠缠的新技术。2015年11月18日，美国斯坦福大学官方网站报道，该校物理学家余利奥领导的研究团队，开发出一项新技术，让相隔1.2英里的光子和自旋的电子发生了关联。这项新技术，解决了量子物理学领域的老大难问题，即如何远距离传输“纠缠”的粒子。
量子纠缠是两个或更多粒子，在不同的空间即使相距几千里也互相关联的现象。以纠缠的电子为例，电子自旋的方向有两种，如果两个电子发生了纠缠，它们的自旋方向也会发生联系。爱因斯坦曾把这种现象称为“幽灵般的行为”。
电子被困在原子之中，所以纠缠的电子无法通过长距离直接发生“对话”，不过光子却可以。因此，科学家可以先让光子和电子发生所谓的“量子关联”，这样光子就可充当信使的作用，传达电子的自旋信息。
为实现这一目的，该研究团队需要保证光子和电子，在长距离传输中一直保持关联，这是个很关键的挑战，因为光子在光纤电缆中传输时有改变方向的倾向。光子可有两种方向——垂直或水平，不过如果光子的方向在途中发生改变，它与电子的关联就消失了。余利奥设计了一种时间戳来将光子的到达时间与电子自旋发生关联，这可以为每个光子提供参考信息，来确认它与哪个电子相互关联。
为最终让两个从未谋面的电子在远距离发生纠缠，研究人员需要将分别与不同的电子发生关联的光子通过光纤发送出去，让它们在中间的分束器中汇合并互动，这就需要让光子发生双光子干涉。但是来源不同的光子会有不同的颜色或波长等，而波长不同的光子无法互相干涉。为克服这个困难，研究人员在光子传输前，让其通过量子降频变换器使波长达到一致，最终成功地让光子为相距1.2英里的电子捎上了信儿。
余利奥说：“这项工作，可为未来在全球范围内实现数据高度安全传输的量子通信网络做铺垫。”与传统计算机相比，量子超级计算机的速度将实现指数级的飞跃，而他们的研究也让量子计算机离现实更近了一步。
2．开发单维度光子纠缠或量子纠缠的新技术
（1）研制出在微芯片上操控量子纠缠的新技术。2011年11月，英国布里斯托大学，物理学家彼得·夏伯特等人组成的一个研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表论文称，他们研制出一项新技术，可以完全基于微小的硅芯片，生成、操控和测量量子纠缠现象，并将其用于塑造量子电路。
量子纠缠是制造量子计算机的基础资源，为构建量子计算机，控制粒子纠缠和混合等复杂过程必须在微芯片上完成，而为了大规模复制出大量微型电路，必须找到与现有计算机大致相同的制造方式。英国量子光子学中心的杰里米·奥布莱恩教授谈道：“新研究已经实现这点，这可被认为是向光学量子计算迈进的一大步。”
研究人员基于微芯片进行了多次实验，每个实验通常都会在大小为3~70毫米的光学实验台上进行。量子光子学芯片内含波导电路和压控移相器，还包括一个微型通道的网络，能够引导、操作光子，并与其互动。光子对将通过光纤与芯片耦合，研究人员利用8个嵌入电路中的可重构电极，对光子对进行操纵，并使其在通过电路时发生纠缠，生成两个光子的纠缠状态，或是任何一个光子的混合状态。
夏伯特表示：“如果量子计算机只能执行单一的特定任务，那并不理想。我们希望重构的装置能够执行更多任务，而多用途光子芯片正是我们现在所呈现的。新设备比之前实验中所采用的技术要复杂10倍左右。令我们兴奋的是，可以利用单个可重构芯片的简单方式，进行多种不同的实验。”目前，研究人员正试图逐渐增加此装置的复杂性，并将其作为构建未来量子计算机的基石。
帝国理工学院的特里·鲁道夫博士表示，这一成果可谓是一项重大进展。研究小组可以在数秒间，实现业界过去需要耗费几个月才能进行的实验。“能够在芯片上产生、操控和测量量子纠缠，是了不起的成就。这不仅因为它是导向光学量子计算等多种能够改变我们生活的量子技术的关键步骤，也赋予我们更多的机会去探索那些怪异的量子现象，并为制造可编程的量子处理器铺平了道路。”
（2）成功使两根填充500个光子的光纤发生纠缠。2013年7月26日，物理学家组织网报道，量子物理学似乎一直涉及的是一些无限小的事物。而多年以来，瑞士日内瓦大学理学院教授尼古拉斯率领的研究团队，一直试图在更大规模甚至宏观层面上观察到量子物理的性质。最近，他们在《自然·物理学》上发表研究成果称，他们成功地让两根填充了500个光子的光纤发生纠缠，不同于以往只有1个光子的光纤纠缠实验，向实现宏观层面的量子纠缠迈出了重要一步。
30年以来，物理学家已经能够使光子对发生纠缠。不管两个光子之间存在的距离和障碍如何，第一个光子的动作会在瞬间冲击第二个光子。这种状况发生时，好像是一个单光子存在于两个不同的地方。
似乎可以直观地认为，应用于原子水平上的物理规则也可转移到宏观世界当中。然而，试图证明这一点并不容易。事实上，当一个量子系统大小增加，其与周围环境就会进行越来越多的互动，而这样却会迅速破坏其量子特性，这种现象被称为量子消相干。
尽管有这些限制，在技术的不断进步下，该研究团队一直在努力寻求突破。2011年1月，他们设法实现了晶体纠缠，从而超越了原子的维度。现在，他们又成功地使两个填充了500个光子的光纤发生纠缠。
为了做到这一点，他们先在微观层面上创建两个光纤之间的纠缠，然后将其移到宏观层面。这种微观量子纠缠态的生存过渡到更大规模世界的现象，甚至可以用传统的检测手段，即肉眼观察得到。而为了验证在宏观世界的纠缠存活，他们可以将其重新转换回微观水平。
尼古拉斯说：“这次大规模实验为许多量子物理学的应用铺平了道路。在宏观层面的纠缠是该领域的主要研究方向之一，我们希望在未来几年可以实现大型对象间发生的纠缠。”
（3）开发出使量子纠缠原子数量再创纪录的新技术。2017年11月，瑞士日内瓦大学科学家弗洛里安·夫洛韦思等人组成的应用科学研究团队，在《自然·通信》杂志上发表研究成果称，量子理论预测，大量原子能发生量子纠缠。此前，科学家曾展示了2900个原子的量子纠缠现象。而他们开发出的一项新技术，能使1600万个原子，在一个1平方厘米晶体内实现量子纠缠。
量子纠缠是量子力学理论预测的一种物理现象，指粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响，这种影响不受距离的限制，即使两个粒子分隔在直径达10万光年的银河系两端，一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。
量子纠缠是方兴未艾的量子革命的先决条件，对量子计算机的运算能力和操作模式影响巨大。此外，根据量子纠缠原理，科学家提出了量子通信的设想。
按照不确定性原理，这种传输信息的方式，从根本上杜绝了被破译的可能，即使信息被截取，其不确定性也会使破译者根本无从下手，这对数据保护尤其是数据加密来说至关重要。
让两个粒子发生纠缠并非难事。例如，分开一个光子会生成两个相互纠缠的光子，这两个光子拥有相同的属性和行为。夫洛韦思说：“但我们无法直接观测几百万个原子之间的纠缠过程，因为需要收集和分析的数据量太大。”
为了解决这一问题，此次该研究团队选择了一种不那么直接的方法：他们让一个光子通过一个量子中继器——被冷却到-270℃的富含稀土原子的晶体。当单个光子渗入这个小晶块时，其内的原子会发生纠缠；而当晶体再次释放单个光子但没有阅读它接收的信息时，纠缠再次发生。他们研究了晶体重新释放出来的光的属性，同时分析了其统计特性等，成功展示了1600万个原子之间的纠缠现象。
3．开发多维度光子纠缠或量子纠缠的新方法
（1）发现促使光子进行多维度量子纠缠的新方法。2015年7月1日，美国加州大学洛杉矶分校科学家谢振达领导的研究小组，在《自然·光子学》期刊上发表论文称，他们发现了使光子发生多维度纠缠的新方法，这一方法可以使光子的数据传送量实现数倍提升。
爱因斯坦曾把量子纠缠描述为“幽灵般的超距作用”，因为这一现象看起来十分不可思议：在纠缠态中，即使两者距离很远，一个粒子发生了什么，另一个粒子也会瞬间发生同样的事，而且这一过程是超光速的。量子纠缠允许用户通过某种网络系统传送数据，而且立即知道数据是否安全送达，因此在安全通信领域大有用武之地。
在之前的研究中，科学家发现光子通常会在量子属性的一个维度进行纠缠，也就是它们偏振的方向。多年前，美国麻省理工学院杰弗里·夏皮罗教授曾提出量子可以在多个维度进行纠缠的假设。在新研究中，研究人员发现可以利用光子的能量和旋转等量子属性，使量子在多个维度进行纠缠，并证实了光子之间的量子纠缠确实是高维的、多自由度的。
研究人员将超纠缠的光子发送到双光子频率梳中，使这些发生纠缠的光子分成多个更小的部分。在纠缠过程中，光子可以被加密或编码，并通过光缆系统进行数据传送。每增加一个纠缠的维度，一对光子传送的数据量就会翻倍，因此如果一对光子在五个维度上纠缠，传送的数据量就是只在一个维度进行纠缠时的32倍。
这种新方法，主要从波分复用方法延伸而来，波分复用通常用来在一条光缆上同时传输多个视频数据。谢振达说：“我们发现，在单个光子水平上也可以使用光子频率梳。”这一研究，实际上是在量子水平上运用了波分复用的概念。
该研究结果，可以保证以最小误差传输更大容量的数据，在量子云通信和分布式量子计算等方面，都有很好的应用前景。另外，医疗机构、政府数据通信、金融市场、军队通信等多个领域，均可从中受益。
（2）在室外首次传输成功四维超纠缠态光子的新技术。2017年8月23日，物理学家组织网报道，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所物理学家鲁帕特·乌尔辛带领的研究团队，在最新一期《自然·通讯》杂志发表研究成果称，他们成功在两个相距1200米的屋顶间，传送了超纠缠态光子，首次在实验室以外的现实世界证明了超纠缠态光子传输的可行性。这一研究成果，向实现基于卫星系统快速安全传输量子信息的全球化量子网络，迈出了重要一步。
目前，最简单常用的光子纠缠是偏振纠缠，即单个光子通常表现出垂直偏振态或水平偏振态，但纠缠后就会处于水平偏振和垂直偏振的叠加态。用偏振纠缠对数据编码，每个光子最多只能携带一个量子位信息。而光子还有其他纠缠方式，将这些方式与偏振纠缠结合使用，可获得更具优势的超纠缠光子态，不仅具有更高的数据传输效率、储存的信息量子位也成倍增加，量子通信的安全等级也会大大提升。但之前关于超纠缠光子的相关实验，只在受到严格保护的实验室环境内短距离实现。
新研究中，该研究团队在偏振纠缠中加入了另一种“能量时间纠缠”，从而创造了一种四维超纠缠光子态。实验中，他们选用“早”和“晚”这两个特定值，代表两个能量时间纠缠态。
研究团队利用实验室的超纠缠光源产生了大量超纠缠光子对，每个光子对中的一个光子储存在实验室，另一个光子则通过光纤传送到实验室屋顶的激光发射管，该发射管将这个光子通过自由空间发送到相距1200米的另一房顶上安装的接收装置，光子到达后仍然能保持与实验室内另一光子的超纠缠态。
实验证明，尽管大气涡旋导致超纠缠光子的传输效率变化无常，且有大约一半的光子被光学器件吸收而失踪，但每秒仍能检测到2万对光子在相距1200米处保持超纠缠态，首次证明了能量时间/偏振同时纠缠的超纠缠光子，在真实世界中的可操作性，为开发基于超纠缠光子的量子应用铺平了道路。
五、研究光子出现的新设备
（一）开发光子运行的专用设备
1．研制产生和留存光子的设备
（1）制成能单个发射光子的装置。2007年3月，有关媒体报道，位于英国剑桥的日立欧洲有限公司首席研究者雪莱·徐领导的研究小组，通过一种由激光激发的设备，研制出一种单一光子源，这种光子源能一个接一个地发射光子。研究人员将这种计算机硬件装置比作“即插即用”装置。这是推动单个光子生产的关键性步骤，同时也是成功和安全地实现量子通信的基础，即使用单个光子携带信息进行数据传输。
该装置的即插即用性能，源于它的创新设计。一束光纤外加或可以说“插入”一块由量子点组成的晶片。量子点是一种半导体材料（比如硅）的微小原子簇，它可容纳约100个原子，并可在许多单一光子生产设计中扮演关键角色。在这种情况里，当受到激光的激发后，它们就会发射出光子。
雪莱·徐称，研究人员合作完成了此项研究。“配对光纤束和量子点晶片，为我们展示了一条实现真正量子通信的方法，其他的单个光子源却不能做到这一点。”
这种晶片被安装在一个样本固定器上，然后浸入液体氦中，最后用一束激光对其进行激发。在这一过程里，量子点的原子吸收激光光子，并突升到一种更高的能量状态，但几乎与此同时，它也会重新发射光子，然后又回到一种较低的能量状态。被发射出来的光子通过纤维束到达一个光束分离器，在这里被发射出来的光子将被分离到一个光纤束当中，而其他残余的激光光子则被分离到另一个光纤束当中。
精确测定光子源是否已产生单个光子，是一项非常棘手的任务。雪莱·徐及其同事不得不使用几种装置，对被发射光子的信号进行分析。这些装置包括：一个用于测量光强度的分光仪、两只单个光子计数“光电二极管”，以及用于检测光的半导体装置。他们还利用一个过滤器滤掉那些本底辐射光子，从而保证从量子点发射出来的光子没有与从晶片的“润湿层”发射出来的光子发生混合。晶片的“润湿层”，指的是当晶片制成时在量子点的表面上，由残留物形成的一个薄层。
研究人员对通过测量和检测装置获得的数据进行分析发现，光子并不倾向于被成对发射。根据研究人员的计算，当将过滤器放到一个合适的角度时，光子计数器一次检测到一个以上光子的概率将大幅降低，更为明确地说，即这种情况发生的可能性将减少100倍。
雪莱·徐称：“这可以说是一种接近完美的单一光子源。”为了测试他们的设计的稳定性，该研究小组在为期24天的时间里，对从27个量子点发射出来的光子进行了测量，这些光子穿梭于光纤束中不同的光纤。测试结果表明，光子源稳定性可持续数周时间，目前还没有证据证明一段相当长的时间是否会导致光子出现衰减现象。
（2）研制出有望突破网速瓶颈的光子存储器。2012年2月，日本电报电话公司纳富政弥领导的光子纳米结构研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表研究成果称，他们研制出能耗更少、数据保存时间更长的新型光子存储设备，让信息不仅以光信号的形式传播，还能以光信号的形式存储和处理，有望让互联网变得更快速高效。
研究人员认为，在互联网内行进的数据，会在用于传输的光信号线和用于处理的电信号之间来回转换，因此，容易拥堵网络，成为制约网络速度的一个瓶颈。他们的研究就是希望能够突破这一瓶颈。
多年来，该研究小组一直在研究这样的设备，但以前研制出的设备耗能太多，且不能让数据保存很长时间。而新存储单元的能耗仅为30纳瓦，是以前设备的三百分之一；且能让数据保存1微秒，是以前250纳秒的4倍。纳富政弥表示，1微秒已足以对数据进行处理。
为了制造出这些光子存储器，研究人员以一块薄磷化铟平板开始探索。在这块平板中央，他们埋进另一种光子材料——磷化铟镓砷的一段作为存储单元，这段磷化铟镓砷约4微米长、300纳米宽。研究人员在磷化铟上蚀刻出一些纳米小洞，制造成一个结构，它仅能传输某些波长的光；通过该存储单元中间的一条通路则没有被蚀刻，以引导光进出。当特定波长的光照射在该存储单元上时，磷化铟镓砷的折射率会发生变化，使其仅能传输一种光脉冲。他们使用激光器，从光子存储设备上阅读信息，或将信息写到光子存储设备上，并使用另一个激光器，提供稳定的背景光，以帮助存储单元维持其状态。
接下来，他们把四个这样的存储单元整合在同一块芯片上。纳富政弥表示，把100万个这样的存储单元结合在一起，制造出的设备能耗仅为30毫瓦，比闪存150毫瓦左右的平均能耗还低得多。纳富政弥研究小组，正尝试添加激光器和光探测器，以将更多读和写光子存储单元添加到同一块芯片上。
纳富政弥表示：“我们的第一个目标，是用这些存储单元，制造出网络路由器或服务器中的存储器；接着，我们希望取代高速计算机内的随机存取存储器。”
加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系，纳米光电导体技术中心的主任常瑞华教授，对纳富政弥小组研发出的设备表示兴奋。她说：“互联网数据堵塞，呈逐年上升的势头，用光子存储单元进行一些数据路由工作势在必行。”
2．研制促进光子相互作用的设备
（1）制成使光子与固体粒子一样具有互动行为的新设备。2014年9月，英国《每日邮报》网站报道，美国普林斯顿大学助理教授安德鲁·浩克和达利斯·萨德里，以及电子工程学副教授哈坎·特瑞希等人组成的研究小组，建造了一台新机器，它能借用量子力学领域的“纠缠”现象，使光子的“行动举止”与固体粒子一样。研究人员表示，这项研究成果，除了有助于科学家们对物质的基本属性，进行更进一步地分析和探究之外，还有助于他们最终制造出量子计算机。
为了制造出这种新设备，研究人员制造出了一个结构，由包含有1000亿个原子的超导材料组成，研究人员采用工程学方法，使这1000亿个原子的行为像单个“人造原子”一样。随后，他们将“人造原子”放置在一根由光子组成的超导电线附近。
根据量子力学的规则，电线上的光子会继承“人造原子”的某些属性，就像它们紧密连接在一起一样。一般情况下，光子之间并不会相互作用，但在最新系统中，研究人员发现，光子会像粒子一样采用某种方式相互作用，也就是说，光子出现了新的行为。浩克说：“这种情况前所未有，对光来说，这是一种新现象。”
萨德里说：“我们使用这种光子和原子的混合，通过人工方法，设计出光子间强烈的相互作用，随后，这种相互作用导致光出现全新的集合行为，就像晶体一样。光子的这一新行为，或许有助于我们制造出计算和处理能力超强，且依靠量子力学的基本原理运行的量子计算机。”
研究人员表示，这一突破，有望使科学家们研制出一些新奇的材料，将计算能力提高到现有技术无法企及的高度。此外，最新设备，也将在回答与原子和分子有关的问题方面，大展拳脚。就目前的情况而言，即使使用现在最先进的计算机，也都无法回答这些问题。
目前，计算机的工作原理为经典力学，而原子和光子的“言行举止”，则遵循量子力学的基本原理。量子力学包含有很多奇怪且与常识相悖的规则，其中之一，便是“纠缠”，使多个粒子变得相互连接，即使相距很远，也能相互影响。量子力学和经典力学的差异，使标准计算机无法有效地研究量子系统，因为计算机基于经典力学的原理来运作，它无法应付和处理量子世界里的很多特征。特瑞希说：“我们对于在原子尺度探索，并最终控制和引导能量的流动感兴趣。”
（2）建立两光子间强相互作用的系统装置。2014年11月3日，物理学家组织网报道，奥地利维也纳理工大学原子和亚原子物理研究所，阿诺教授领导的研究团队，在最新一期《自然·光子学》杂志上发表研究成果称，他们研发出一套系统装置，成功在两个单光子之间建立起强大的相互作用，朝着轻拍校验（tap-proof）量子通道或建立光学逻辑门发送信息，迈出了重要一步。
在自由空间中的两个光子之间不相互作用，光波彼此擦身而过不会相互影响。然而，对于量子技术的许多应用，光子之间的相互作用却至关重要。这次研究人员建造成只有两个光子之间强相互作用的系统装置。这种相互作用是如此强烈，以至于光子的相位发生了180°的改变。阿诺说：“它像一个钟摆，实际上应该向左摆动，但由于第二摆耦合，向右波动。这个摆荡不会出现更极端的变化。我们实现了最小光强的最大相互作用。”
据报道，为了促其成为可能，光子开始了一场“不太可能”的旅程。极小的超薄玻璃纤维被连接到一个像细小瓶子一样的光谐振器里，以使光线能够部分进入其中，循环往复，再回到玻璃纤维。这种迂回通过谐振器导致光子被倒相。
当一个铷原子被接入谐振器，该系统将发生巨大的变化。由于铷原子的存在，几乎没有任何的光进入谐振器，那么光子的振荡阶段不能倒相。
阿诺说：“然而当两个光子同时到达，事情发生变化。原子是一个可饱和吸收体，光子被原子用很短的时间吸收，然后被释放到谐振器。在这段时间里，它不能吸收任何其他光子。如果两个光子同时到达，只有一个可以被吸收，而另一个仍然可以相位转移。”
从量子力学的角度来看，两个光子没有区别。它们只能被理解为一个共同的波状物体，在同一时间位于谐振器和玻璃纤维。没有人能分清它们哪个是被吸收和哪个过去了。当在同一时间击中谐振器，它们两个一起经历了180°的相移。两个相互作用的光子同时到达，显示出与单光子完全不同的行为。
阿诺说：“这样可以创造一个纠缠光子状态。这个状态在所有量子光学的领域是被要求的，即在量子传送，或者可能被用于量子计算的光晶体管。”
新系统装置的一大优势体现在，其是基于现有通讯领域的玻璃纤维技术，纳米玻璃纤维和瓶谐振器与现有技术完全兼容。创造出强大的光子相互作用，是朝着轻拍校验数据传输的全球量子信息网络迈出的重要一步。
（二）研制用于加工光子的纳米设备
1．发明把光子变为机械能的纳米装置
2009年5月14日，美国加利福尼亚州理工学院，物理学家奥斯卡·派因特尔领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究报告说，他们研制出一种纳米装置，能够在遭遇激光时产生振动。这种设备非常灵敏，甚至能够感知单个光子的能量。研究人员相信，它将加速光学通信系统的发展，同时帮助科学家更为精密地探知物质的一些基本属性。
研究人员表示，偏振光束似乎没有实现机械功的能力，这是因为光子作为光波的载体是没有质量的，但是它们在原子水平上却能够达到一个惊人的数量。例如，科学家目前已经能够利用激光捕捉、控制及操作单个的原子。现在的问题是，相同的原理是否能够作用于纳米量级，其成分要比原子水平大得多，但在大小上仍然仅相当于一米的十亿分之一。这也正是本研究小组试图要解决的问题。
为此，研究小组制造了一对外部覆盖着硅微芯片材料的，厚度仅为几百纳米的支架。接着，研究人员利用化学手段，在每个支架的表面腐蚀了一连串的小洞。他们把这一装置称为“拉链空穴”，这是因为它与一个拉链看起来很像。派因特尔说，这些小洞能够引导和捕捉激光束的能量，同时使装置产生振动。而振动的频率，取决于激光轰击支架的强度。
这一装置的表现，就像是一部音频扬声器，扬声器隔膜的振动取决于放大器传送的电子信号的强度。相反，像扩音器一样，拉链空穴能够通过自身的振动改变光的强度。派因特尔指出，总体而言，这些功能使得拉链空穴，能够扮演一部完全由光控制的微型无线电发射机和接收机的角色，但它同时要比类似大小的电子装置拥有更大的操作范围。他还说，由于这种装置的振动发生频率，在每秒钟1000万次到1.5亿次之间，因此能够极大地改善原子力显微镜的分辨能力。用这种装置来研究分子和原子，每秒钟可以完成数千次操作。这种装置在基础研究和新应用上都具有光明的前景。
2．开发出可“雕刻”单光子的纳米装置
2014年12月16日，英国《卫报》网站报道，由荷兰埃因霍芬理工大学教授安德烈·菲奥尔率领的研究团队，在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称，他们开发出一种纳米级装置，可以通过“雕刻”单个光子的形状，释放出具有精确形状的单个光子。这项新成果，朝着构建安全的量子网络迈出了重要一步。
未来以量子计算机构建的网络理论上，拥有现有计算机无法比拟的保密能力和运算速度，但开发量子网络的关键是要能够按需产生编码信息的单个光子。光子的形状是由它所携带的能量如何平稳释放来决定的。尽管这个过程只有十亿分之一秒，但由于大部分能量都是在过程的一开始被释放出来，剩余的则在后面形成一个拖尾，因此光子的形状是不匀称的。
原子会自然散发出单个光子，但这些光子的形状都不够精确。菲奥尔研究团队发现，可以使用量子点来产生形状受控的光子。这个量子点其实是一块半导体材料，当受激时会发射单个光子。
据报道，为了“雕刻”这些光子，研究人员将量子点置于一个光子晶体内，让这个光子晶体充当过滤器。量子点光子的能量如何释放，决定了发射出的光子的形状，而能量释放可以通过施加电压来控制，这就迫使光以稳定的步伐散发出来。
伦敦帝国学院教授克里斯·菲利普斯对此评论说：“这是朝着能够按需制造单个光子迈出的重要一步。”菲奥尔表示：“这些纳米结构可以被集成到设备和芯片中。它为在量子芯片之间有效地交换光子开辟了可能性，有望应用于未来的量子网络。”牛津大学教授伊恩·沃姆斯接着说：“这是非常不错的支柱性技术。量子互联网具有现实可能性，但它并不会马上就出现。”
（三）开发电子通信方面的光子设备
1．研制光子网关设备的新成果
（1）开发出首块在单光子层面工作的路由器。2011年8月，瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家佩尔·戴辛和克里斯·威尔逊领导的研究小组，与西班牙国家研究委员会的研究人员一起，在《物理学评论快报》杂志上发表研究报告称，他们联合研制出世界首块在单光子层面工作的路由器，它由一个“人造原子”制成。
不久前，研究人员成功演示了内嵌于一条传输线中的这块路由器，怎样把单个光子，从一个输入端口，运送至两个输出端口中的一个。研究人员表示，这种单光子路由器，未来能作为量子信息网络中的量子节点，为其提供基本的数据处理和路由。
与电子相比，对光子进行控制和引导更加困难。这主要是因为光子不像电子那样拥有强烈的相互作用，因此，目前的路由器大多使用电子。然而，量子隧道的一个重要要求，是粒子能在长距离上分发数据，光子“天生”能比原子等其他量子系统行进更远的距离，因此，在量子信息网络中用光子做信息载体效果更好。
研究人员为了制造这个单光子路由器，使用一个超导量子位，作为“人造原子”。接着，研究人员把这个量子位耦合到一个一维的传输线上，微波光子能够沿着这个传输线行进。随后，研究人员在其上持续施加一个微弱的光子探针，有时候也补充一个更强烈的控制脉冲。如果没有这束强烈的控制脉冲，人造原子会反射入射的光子，入射光子会行进到一号输出端口。当这束强烈的控制脉冲出现时，它会引起电磁诱导透明（EIT）现象，致使原子对这束微弱的探测光束变得透明，导致光子旅行到二号输出端口。采用这种方式，研究人员能将入射光子引导到两个输出端口中的一个。
研究人员表示，这是首块在单光子层面工作的路由器，而且它的消光效率可达99.6%，这表明，光子可有效地耦合到路由器上，并被很好地控制。同时，它的切换时间仅为几纳秒。另外，这种路由器很容易进行扩展，以使其具有更多输出端口，这一点对它用作量子点必不可少。
研究人员指出，这种路由器，除了主要用于未来的量子计算机网络中，对于科学研究也非常有用，例如，可用它把单光子源的光子，分发到同一块芯片上的几个实验中，让研究人员使用同束光线进行更多实验。
（2）研制出基于单原子的首个光子路由装置。2014年7月15日，物理学家组织网报道，以色列魏茨曼研究所巴拉克·达洋博士领导的量子光学课题组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们近日研制出世界上首个光子路由装置。该光子路由装置是一种基于单个原子的量子装置，可以实现单光子路由功能。这项成果，标志着在构建量子计算机所面临的重重困难中，人类又向前迈进了一步。
该装置的核心是一个原子，它可以在两种状态之间切换。被设定的状态为，仅从光纤右边或左边发送单个光子，相应地，装置中心的原子将反射或者传导下一个传入的光子。比如，一个从右边过来的光子沿着自己的路径奔向左边，同时一个从左边过来的光子被反射回去，导致处在中心的原子快速翻转。完全相反的情形是，原子让左边过来的光子正常行进，一旦从右边来的光子逆流而至，这个原子又被快速翻转回来。这种原子基“开关”仅用单个光子就可操作，不需其他额外条件。达洋说：“从某种意义上讲，这个光学设备类似于能控制电流开关的电子晶体管。”
报道称，取得这项成果，需要充分结合世界上两个最先进的技术。一个是激光制冷和原子捕获技术，另一个是基于芯片和超高品质的微型光学谐振器的制造技术，两者直接结合起来能制备出符合实验要求的光纤。达洋实验室所在的魏茨曼研究所，是世界范围内少有的能同时熟练掌握这两种技术的研究所之一。
在研发量子计算机所做的各种努力中，最主要的动力来源于客观存在的量子“叠加态”，这是粒子以不同形态同时存在的一种状态，拥有并行处理巨型数据库的潜能。而且，叠加态的无限期存在，能持续对系统进行监控和测量，防止计算机崩溃。因为量子系统之间完全没有交往，量子系统与其他粒子系统的互动也微乎其微，所以，光子是量子系统之间通信最有前途的候选对象。
达洋说：“构建量子计算机的道路仍然很长，我们建造的设备演示了一个简单实用的系统，可以应用于所有未来量子计算机的建构。在目前的演示中，单个原子可以做晶体管，也可以做光子间的双向开关，但是在接下来的实验中，我们希望扩展这种单独作用于光子的设备种类，比如新型光子存储器或者逻辑门等。”
2．开发光子计算设备的新成果
研制“光子神经元”运算系统设备。2011年7月19日，物理学家组织网报道，普林斯顿电学工程教授鲍尔·布拉克诺和洛克希德·马丁公司先进技术实验室基础工程师、神经科学家大卫·罗森布鲁斯领导的研究小组，正在进行一项名为“光子神经元”的计划，旨在用一种光纤计算设备，模拟脑神经网络的运算模式，开发出一种几乎瞬间就能做出决策的数字系统设备。这种设备和神经元很像，但速度要超过神经元10亿倍。研究人员称该计划如果成功，将带来计算机处理速度的真正革命。
无论是大脑中的还是外围神经系统中的神经元，都和其他神经元互相连接，通过电脉冲彼此沟通。神经元接收到一个电脉冲，然后决定是否发出自身信号，把信息传给余下的网络。这就是神经计算的基础。
在紧急时刻，人或动物都要迅速做出决策：如一只瞪羚被一只非洲猎豹追逐时，必须在瞬间决定向左跑还是向右跑；面对飞过来的棒球，棒球选手也必须在几分之一秒内根据各种迹象判断如何挥击。这种脑神经网络在生死关头的刹那计算，为光子计算的工作原理提供了线索。
罗森布鲁斯说：“我们正在把各种典型的神经信息处理方式，如学习、抑制行为转移到光纤电路中，但这不是在努力复制大脑中的东西，而是模拟大脑中的运算，并以计算机的纯数字系统方式实现。”。
此外，研究人员也一直在寻找突破电路本身速度限制的方法。如果使用电流，信息处理速度还要受导线电阻这一终极限制，如果不用电导线而用光纤，信息就能以接近光速传播。在传统光纤通信中，只在远距传输过程中以光的形式传输信息，到达目的地后还要经过信息转换过程将光子信息转换为电子来处理。而在新实验中，仍以光代码形式来处理信息，这要比用电流快得多。
尽管模拟神经网络的运算模型和光纤网络，所用的有很多不同的变量，但它们在整体方程上非常相似。布拉克诺说：“当我们输入方程后，它们确实能运行起来。”
研究人员指出，借用神经电路的计算概念，是为了突出它能帮助人们和组织机构做出超快决策。如果该项目成功，会让计算机几乎瞬间就能完成计算。比如在危急时刻，能通过无线电信号找出恐怖分子，让喷气机决定是否弹出驾驶员；还能迅速处理大量数据，比如通过视频信号操纵无人驾驶汽车，审查基因数据找出对抗疾病的线索等。
3．研制光子雷达系统的新成果
开发出全光子雷达系统。2014年3月，意大利物理学家组成的一个研究小组在《自然》杂志上发表论文认为，下一代雷达（无线电侦查与测距）系统，以软件定义的无线电通讯为基础，具有载频更高、天线更小、带宽更广的特点，高度灵活以适应变化的环境。他们自己开发的首个全光子学基础的相干雷达系统，就是这样一种新型雷达。
在论文中，研究人员还介绍了他们是怎样建造这种新式雷达系统的。美国海军研究实验室官员詹森·麦可金尼，在同期刊上发表了对该雷达系统的未来展望，概括了要把这种全光子雷达系统在真实世界里付诸实施，应注意哪些问题。
该雷达系统是基于光子学的全数字雷达计划的一部分，该计划旨在提高目前电子信号系统的跟踪和速度计算能力。众所周知，这种系统需要更高频的信号，而现有系统还做不到这一点，因为高频会增加噪声，使接收的信号更不清楚。因此，科学家正在探索如何利用更稳定的激光信号。
要用激光建造雷达系统，必须克服的一个难题是，需要一个振荡光模来保持高度稳定的相位关系。据物理学家组织网报道，研究人员用了一个锁模激光器，来建立低定时抖动的激光脉冲周期序列，把它和装有新写软件的计算机相连，再加上一个滤光器和一个光电二极管，就能以低噪声产生无线电射频信号。
虽然，目前的全光子雷达系统还是个原型，但它确实管用。研究小组用它来真实监控了一个附近机场的飞机起飞，以测试它的能力，并将观察数据和来自传统电子信号系统的数据进行了比较，结果极为吻合。
麦可金尼指出，这只是初步的测试，还需要更多的研究和测试，才能确定该系统的效果是否比传统系统更好。