新型光学器件：实现不同颜色光子的量子纠缠！

eakja

导读

近日，美国国家标准与技术研究院的研究人员们首次利用基于芯片的可量产光学元件，创造出由一个可见光光子与一个近红外光光子组成的量子纠缠的光子对。

背景

目前，某些正在开发中的最先进的通信系统，是依靠量子科学的特性来存储和传输信息。可是，研究人员们设计出的那些依靠光线而不是电流来传输信息的量子通信系统，面临着一种窘境：存储和处理量子信息的光学元件通常需要可见光“光子（组成光的粒子）”来运行；但是只有近红外光光子（具有约10倍以上更长的波长）可以跨越几千米的光纤传输量子信息。

创新

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员们开发出一种新方法来解决这个问题。团队首次利用基于芯片的可量产光学元件，创造出由一个可见光光子与一个近红外光光子组成的量子关联的光子对。

这些光子对结合了可见光与近红外光的优势：在每个光子对中，可见光可以与囚禁的原子、粒子或者作为量子版本计算机存储器的其他系统进行交互；近红外光可以通过光纤长距离地自由传播。

这项成果有望提升光基电路向遥远地方安全传输信息的能力。NIST 研究人员 Xiyuan Lu、Kartik Srinivasan 以及他们在马里兰大学帕克分校纳米中心的同事们，采用由可见光光子与近红外光光子组成一个特定的光子对，演示了这种量子关联，也称为“纠缠”。然而，研究人员们的设计方法可以很容易地用于创造许多其他的“可见光/近红外光”光子对。这些光子对经过定制，能满足特定系统的需求。此外，制造“纠缠”的小型光学元件可以量产。

近日，Lu、Srinivasan 和他们的同事们在《自然物理学（Nature Physics）》期刊上描述了他们的工作。

技术

量子纠缠，是一个更违反直觉的量子力学特性。当两个或者更多的光子或者其他粒子，以一种方式内在地关联在一起，表现如同整体一样时，量子纠缠就产生了。无论两个粒子之间的距离有多远，测量一对纠缠粒子中某一个粒子的量子状态，会自动决定另一个的状态。纠缠是许多量子信息体系的核心，包括量子计算和量子加密。

在许多情况下，两个纠缠的光子具有相同的波长或者颜色。但是，NIST的研究人员们特意打算制造奇特的光子对：两个颜色差别很大的光子之间的纠缠。

Srinivasan 表示：“我们想要将可见光光子和电信光子联系到一起，可见光光子对于在原子级系统中存储信息很有帮助，而电信光子处于近红外光谱，善于通过光纤以较低的信号损失传输。”

为了使光子适合与大多数的量子信息存储系统进行交互，团队也需要特定波长下具有锐利尖峰的光线，而不是具有更宽更分散分布的光线。

为了创造出纠缠的量子对，团队构建出一种特殊定制的光学“回音廊”：一个纳米级的氮化硅谐振器。它能操控光线围绕着微型赛道传播，类似声波围绕着曲面墙壁畅通无阻地传播，例如伦敦圣保罗大教堂的穹顶。在这种所谓的“声学回音廊”曲面结构中，一个人站在墙壁的某个位置，很容易听到从墙壁其他位置传来的微弱声音。

当选定波长的激光被引导到谐振器中时，由可见光与近红外光的光子纠缠而成的光子对就会出现。（实验中出现的这种特殊的纠缠类型，也称为能量时间纠缠，将光子对的能量与光子对产生的时间联系到一起。）

下图所示：通过仔细地设计微米级的环状谐振器，NIST的研究人员们制造出纠缠的光子对，这一对光子的颜色（或者说波长）差别很大。来自泵浦激光（谐振器中的紫色区域）生成每个光子对中处于可见光波长的光子（谐振器中与周围的红色区域）；另外一个光子具有处于电信（近红外）频谱的波长（蓝色区域）。

价值

Lu 表示：“我们搞清楚了如何设计这些回音廊谐振器，产生大量我们想要的光子对，它们具有很少的背景噪音和其他不相干的光线。”研究人员们确认了，在电信光子通过光纤传输几千米之后，纠缠仍然存在。

未来，通过将两个量子存储器的两个纠缠的光子对结合起来，光子对中固有的纠缠可以传输到量子存储器中。这种技术也称为“纠缠交换”，它使得存储器可以跨越比通常情况更长的距离实现相互纠缠。

Srinivasan 表示：“我们贡献是搞清楚了如何制造具有正确特性的量子光源，从而实现这么长距离的纠缠。”

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