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美國首次在不同波長光粒子之間實現了糾纏狀態
2019-02-26


[據物理學組織網站20190225日報道]目前,先進通信系統的信息存儲和信息傳輸需要依賴于量子科學,量子通信系統主要依賴光子傳輸信息(而不是電流),這便導致研究人員在設計量子通信系統時遇到了一個巨大的難題: 存儲和處理量子信息的光學元件通常需要可見光光子(光粒子)來進行操作,但是在數公里的光纖上傳輸信息卻需要近紅外光(波長約為可見光的十倍左右)。



現在,美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員開發了一種新的方法來解決這個問題。該團隊首次利用可大規模生產的基于芯片的光學元件,創造出了一個由可見光粒子和近紅外粒子組成的光量子關聯對。這個光量子關聯對結合了可見光粒子和近紅外粒子的優點:可見光粒子可以與捕獲的原子、離子或計算機內存的量子系統相互作用,而近紅外粒子可以通過光纖進行長距離傳播。



研究成果有望提高光集成電路在遠距離數據安全傳輸方面的能力。美國國家標準與技術研究所(NIST)研究員Xiyuan Lu, Kartik
Srinivasan
以及他們在馬里蘭大學納米中心的同事,用一對特定的可見光粒子和近紅外光粒子證明了量子的關聯性,即所謂的糾纏。然而,研究人員的設計方法可以很容易的創建出匹配特定系統的可見-近紅外光量子關聯對,創建糾纏狀態的微型光學元件同時也在大量生產。



LuSrinivasan和他們的同事最近在《Nature Physics》雜志上發表了他們的研究成果。量子糾纏是量子力學中最違反直覺的性質之一,當兩個或兩個以上的光子或其他粒子以某種方式制備時,便會產生量子糾纏,糾纏使得它們本質上緊密相連,表現為一個單元。通過測量確定了其中一個糾纏粒子的量子態,則另一個糾纏粒子的量子態自動被確定,即這兩個粒子具有相反的特性。糾纏是許多量子信息技術的核心,包括量子計算和量子加密。



在許多情況下,糾纏在一起的兩個光子具有相似的波長或顏色。但是美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員故意在不同波長的光子之間制造耦合-糾纏。Srinivasan說:可見光光子在原子系統中可以存儲信息,而近紅外光子則可用于在低信號損耗的光纖中進行通信,我們希望把可見光光子和近紅外光子聯結在一起,這樣便可以同時具備存儲和通信能力。



使光子與量子信息存儲系統相互作用,研究小組還需要使光在某一波長處達到峰值,而不是形成廣泛、分散的分布。為了制造糾纏的量子對,研究小組建造了一個特別的光學“回音廊”—納米尺寸的氮化硅諧振器,可以將光引導到微小的跑道上,類似于聲波在彎曲的墻壁上暢通無阻地傳播一樣,比如倫敦圣保羅大教堂的圓頂。在這種彎曲的結構中,也就是所謂的“回音廊”,站在墻的一邊的人很容易聽到從墻的另一邊傳來的微弱的聲音。



當選定波長的激光直接進入諧振腔時,便會形成可見光粒子和近紅外粒子的量子糾纏對。(實驗中使用的特定類型的糾纏,稱為時間-能量糾纏,將光子對的能量與它們產生的時間聯系起來。)



Lu說:我們想出了如何設計諧振腔的方法,產生了大量的量子糾纏對,同時沒有產生任何的噪聲和外來光子。研究人員證實,即使光子通過數公里的光纖進行通信,但糾纏仍然一直存在。將來,通過兩個量子糾纏對和兩個量子存儲器的結合,光子中的糾纏狀態有望轉移到量子存儲器中,這種技術被稱為“糾纏交換”,它使得量子存儲器比正常情況下相互糾纏的距離更長。



Srinivasan說:我們的貢獻是找到了一種具有合適性質的量子光源,它可以實現長距離的糾纏。(工業和信息化部電子第一研究所  李茜楠)



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