神操作！把不同颜色的光子纠缠在一起

目前正在开发的一些最先进通信系统依赖于量子科学的特性来存储和传输信息。然而，研究人员在设计量子通信系统时面临着一个难题：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)来运作。

然而，只有波长约为其10倍的近红外光子才能在数公里的光纤中传输这些信息。现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种新方法来解决这个问题。该团队首次利用可大规模生产基于芯片的光学元件，创造出由一个可见光和一个近红外光子组成的量子相关对。这些光子对结合了这优点：可见光伙伴可以与捕获的原子、离子或其他系统进行交互。

博科园-科学科普：这些系统充当计算机内存的量子版本，而每对光子的近红外成员可以自由地通过光纤进行长距离传播。这一成就有望提高基于光的电路将信息安全传输到远方的能力。NIST研究人员Lu Xiyuan, Kartik Srinivasan和在马里兰大学纳米中心的同事在College Park，用一对特定的可见光和近红外光子证明了量子相关，即所谓的纠缠。然而，研究人员的设计方法可以很容易地应用于创建许多其他可视/近红外对，以匹配特定的感兴趣的系统。此外，制造这种纠缠的微型光学元件也大量生产。卢、斯里尼瓦桑和同事最近在《自然物理学》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被制备时，量子纠缠发生，这种方式使得它们本质上紧密相连，表现为一个单元。确定其中一个纠缠粒子的量子态的测量，自动确定另一个纠缠粒子的状态，即使这两个粒子位于宇宙的相反方向。纠缠是许多量子信息方案的核心，包括量子计算和加密。在许多情况下，纠缠在一起的两个光子具有相似波长或颜色。但是NIST的研究人员故意在颜色迥异光子之间制造奇怪的耦合-纠缠。斯里尼瓦桑说：我们希望把可见光光子和电讯光子联系起来。可见光光子有利于在原子系统中存储信息，而通讯光子则是近红外的，善于在低信号损耗的光纤中穿行。

NIST研究人员通过仔细设计微米级环形谐振腔的几何形状，产生了一对纠缠光子(光粒子)，它们有两种不同的颜色或波长。泵浦激光器发出的光(谐振腔中的紫色区域)以可见光波长(谐振腔内外的红色斑块)在每对光子中产生一个光子；另一个光子在光谱的电信(近红外)部分具有波长(蓝色斑块)。图片：S. Kelley/NIST

为了使光子适合与大多数量子信息存储系统进行交互，研究小组还需要在特定波长处使光达到峰值，而不是形成更广泛、更分散的分布。为了制造纠缠对，研究小组建造了一个特别定制的光学“耳语廊”：一个纳米尺寸的氮化硅谐振器，它可以将光引导到一个微小的跑道上，就像声波在弯曲的墙壁上畅通无阻地传播一样，比如伦敦圣保罗大教堂的圆顶。在这种弯曲的结构中，也就是所谓的声耳语走廊，站在墙的一边的人很容易听到从墙的另一边传来的微弱声音。当选定波长的激光直接进入谐振腔时，纠缠对可见光和近红外光子就会出现。

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。卢说：我们想出了如何设计这些窃窃私语的走廊谐振器，以产生大量我们想要的对，几乎没有背景噪音和其他无关的光，研究人员证实，即使通信光子穿过数公里的光纤，纠缠仍然存在。在未来，通过将两个纠缠对与两个量子存储器结合，光子对中固有的纠缠可以转移到量子存储器中。这种技术被称为“纠缠交换”，它允许记忆在比正常情况下更长的距离内彼此纠缠在一起。斯里尼瓦桑说：我们的贡献是找到了一种具有合适性质的量子光源，它可以实现这种长距离的纠缠。

博科园-科学科普｜研究/来自: 美国国家标准与技术研究所/Ben P. Stein

参考期刊文献:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-018-0394-3

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