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美国首次在不同波长光粒子之间实现了纠缠状态
2019-02-26


[据物理学组织网站20190225日报道]目前,先进通信系统的信息存储和信息传输需要依赖于量子科学,量子通信系统主要依赖光子传输信息(而不是电流),这便导致研究人员在设计量子通信系统时遇到了一个巨大的难题: 存储和处理量子信息的光学元件通常需要可见光光子(光粒子)来进行操作,但是在数公里的光纤上传输信息却需要近红外光(波长约为可见光的十倍左右)。



现在,美国国家标准与?#38469;?#30740;究所(NIST)的研究人员开发了一?#20013;?#30340;方法来解决这个问题。该团队首次利用可大规模生产的基于芯片的光学元件,创造出了一个由可见光粒子和近红外粒子组成的光量子关联对。这个光量子关联对结合了可见光粒子和近红外粒子的优点:可见光粒子可以与捕获的原子、离子或计算机内存的量子系统相互作用,而近红外粒子可以通过光纤进行长距离传播。



研究成果有望提高光集成电路在远距离数据安全传输方面的能力。美国国家标准与?#38469;?#30740;究所(NIST)研究员Xiyuan Lu, Kartik
Srinivasan
?#32422;?#20182;们在马里兰大学纳米中心的同事,用一对特定的可见光粒子和近红外光粒子证明了量子的关联性,即所谓的纠缠。然而,研究人员的设计方法可?#38498;?#23481;易的创建出匹配特定系统的可见-近红外光量子关联对,创建纠缠状态的微型光学元件同时也在大量生产。



LuSrinivasan和他们的同事最近在《Nature Physics》杂志上发表了他们的研究成果。量子纠缠是量子力学中最违反直觉的性质之一,当两个或两个以上的光子或其他粒子以某种方式?#31080;?#26102;,便会产生量子纠缠,纠缠使得它们本质上紧密相连,表现为一个单元。通过测量确定了其中一个纠缠粒子的量子态,则另一个纠缠粒子的量子态?#36828;?#34987;确定,即这两个粒子具有相反的特性。纠缠是许多量子信息?#38469;?#30340;核心,包括量子计算和量子加密。



在许多情况下,纠缠在?#40644;?#30340;两个光子具有相似的波长或颜色。但是美国国家标准与?#38469;?#30740;究所(NIST)的研究人员故意在不同波长的光子之间制造耦合-纠缠。Srinivasan说:可见光光子在原子系统中可?#28304;?#20648;信息,而近红外光子则可用于在低信号损耗的光纤中进行通信,我们希望把可见光光子和近红外光子联结在?#40644;穡?#36825;样便可以同时具备存储和通信能力。



使光子与量子信息存储系统相互作用,研究小组还需要使光在某一波长处达到峰值,而不是形成广泛、分散的分布。为了制造纠缠的量子对,研究小组建造了一个特别的光学“回音廊”—纳米尺寸的氮化硅谐振器,可以将光引导到微小的跑道上,类似于声波在弯曲的墙壁上畅通无阻地传播一样,?#28909;?#20262;敦圣保罗大教堂的?#25429;ァ?#22312;这种弯曲的结构中,也就是所谓的“回音廊?#20445;?#31449;在墙的一边的人很容易听到从墙的另一边传来的微弱的声音。



当选定波长的激光直接进入谐振腔时,便会形成可见光粒子和近红外粒子的量子纠缠对。(实验中使用的特定类型的纠缠,称为时间-能量纠缠,将光子对的能量与它们产生的时间联系起来。)



Lu说:我们想出了如何设计谐振腔的方法,产生了大量的量子纠缠对,同时没有产生任何的噪声和外来光子。研究人员证实,即使光子通过数公里的光纤进行通信,但纠缠仍然一直存在。将来,通过两个量子纠缠?#38498;?#20004;个量子存储器的结合,光子中的纠缠状态有望转?#39057;?#37327;子存储器中,这种?#38469;?#34987;称为“纠缠交换?#20445;?#23427;使得量子存储器?#26085;?#24120;情况下相互纠缠的距离更长。



Srinivasan说:我们的贡献是?#19994;?#20102;一种具有合适性?#23454;?#37327;子光源,它可以实现长距离的纠缠。(工业和信息化部电子第一研究所  李茜楠)



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