背景

目前，某些正在開發(fā)中的最先進(jìn)的通信系統(tǒng)，是依靠量子科學(xué)的特性來存儲(chǔ)和傳輸信息?？墒牵芯咳藛T們?cè)O(shè)計(jì)出的那些依靠光線而不是電流來傳輸信息的量子通信系統(tǒng)，面臨著一種窘境：存儲(chǔ)和處理量子信息的光學(xué)元件通常需要可見光“光子（組成光的粒子）”來運(yùn)行；但是只有近紅外光光子（具有約10倍以上更長的波長）可以跨越幾千米的光纖傳輸量子信息。

創(chuàng)新

近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員們開發(fā)出一種新方法來解決這個(gè)問題。團(tuán)隊(duì)首次利用基于芯片的可量產(chǎn)光學(xué)元件，創(chuàng)造出由一個(gè)可見光光子與一個(gè)近紅外光光子組成的量子關(guān)聯(lián)的光子對(duì)。

這些光子對(duì)結(jié)合了可見光與近紅外光的優(yōu)勢(shì)：在每個(gè)光子對(duì)中，可見光可以與囚禁的原子、粒子或者作為量子版本計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的其他系統(tǒng)進(jìn)行交互；近紅外光可以通過光纖長距離地自由傳播。

這項(xiàng)成果有望提升光基電路向遙遠(yuǎn)地方安全傳輸信息的能力。NIST 研究人員 Xiyuan Lu、Kartik Srinivasan 以及他們?cè)隈R里蘭大學(xué)帕克分校納米中心的同事們，采用由可見光光子與近紅外光光子組成一個(gè)特定的光子對(duì)，演示了這種量子關(guān)聯(lián)，也稱為“糾纏”。然而，研究人員們的設(shè)計(jì)方法可以很容易地用于創(chuàng)造許多其他的“可見光/近紅外光”光子對(duì)。這些光子對(duì)經(jīng)過定制，能滿足特定系統(tǒng)的需求。此外，制造“糾纏”的小型光學(xué)元件可以量產(chǎn)。

近日，Lu、Srinivasan 和他們的同事們?cè)凇蹲匀晃锢韺W(xué)（Nature Physics）》期刊上描述了他們的工作。

技術(shù)

量子糾纏，是一個(gè)更違反直覺的量子力學(xué)特性。當(dāng)兩個(gè)或者更多的光子或者其他粒子，以一種方式內(nèi)在地關(guān)聯(lián)在一起，表現(xiàn)如同整體一樣時(shí)，量子糾纏就產(chǎn)生了。無論兩個(gè)粒子之間的距離有多遠(yuǎn)，測(cè)量一對(duì)糾纏粒子中某一個(gè)粒子的量子狀態(tài)，會(huì)自動(dòng)決定另一個(gè)的狀態(tài)。糾纏是許多量子信息體系的核心，包括量子計(jì)算和量子加密。

在許多情況下，兩個(gè)糾纏的光子具有相同的波長或者顏色。但是，NIST的研究人員們特意打算制造奇特的光子對(duì)：兩個(gè)顏色差別很大的光子之間的糾纏。

Srinivasan 表示：“我們想要將可見光光子和電信光子聯(lián)系到一起，可見光光子對(duì)于在原子級(jí)系統(tǒng)中存儲(chǔ)信息很有幫助，而電信光子處于近紅外光譜，善于通過光纖以較低的信號(hào)損失傳輸?！?/span>

為了使光子適合與大多數(shù)的量子信息存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行交互，團(tuán)隊(duì)也需要特定波長下具有銳利尖峰的光線，而不是具有更寬更分散分布的光線。

為了創(chuàng)造出糾纏的量子對(duì)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出一種特殊定制的光學(xué)“回音廊”：一個(gè)納米級(jí)的氮化硅諧振器。它能操控光線圍繞著微型賽道傳播，類似聲波圍繞著曲面墻壁暢通無阻地傳播，例如倫敦圣保羅大教堂的穹頂。在這種所謂的“聲學(xué)回音廊”曲面結(jié)構(gòu)中，一個(gè)人站在墻壁的某個(gè)位置，很容易聽到從墻壁其他位置傳來的微弱聲音。

當(dāng)選定波長的激光被引導(dǎo)到諧振器中時(shí)，由可見光與近紅外光的光子糾纏而成的光子對(duì)就會(huì)出現(xiàn)。（實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的這種特殊的糾纏類型，也稱為能量時(shí)間糾纏，將光子對(duì)的能量與光子對(duì)產(chǎn)生的時(shí)間聯(lián)系到一起。）

下圖所示：通過仔細(xì)地設(shè)計(jì)微米級(jí)的環(huán)狀諧振器，NIST的研究人員們制造出糾纏的光子對(duì)，這一對(duì)光子的顏色（或者說波長）差別很大。來自泵浦激光（諧振器中的紫色區(qū)域）生成每個(gè)光子對(duì)中處于可見光波長的光子（諧振器中與周圍的紅色區(qū)域）；另外一個(gè)光子具有處于電信（近紅外）頻譜的波長（藍(lán)色區(qū)域）。

價(jià)值

Lu 表示：“我們搞清楚了如何設(shè)計(jì)這些回音廊諧振器，產(chǎn)生大量我們想要的光子對(duì)，它們具有很少的背景噪音和其他不相干的光線?！毖芯咳藛T們確認(rèn)了，在電信光子通過光纖傳輸幾千米之后，糾纏仍然存在。

未來，通過將兩個(gè)量子存儲(chǔ)器的兩個(gè)糾纏的光子對(duì)結(jié)合起來，光子對(duì)中固有的糾纏可以傳輸?shù)搅孔哟鎯?chǔ)器中。這種技術(shù)也稱為“糾纏交換”，它使得存儲(chǔ)器可以跨越比通常情況更長的距離實(shí)現(xiàn)相互糾纏。

Srinivasan 表示：“我們貢獻(xiàn)是搞清楚了如何制造具有正確特性的量子光源，從而實(shí)現(xiàn)這么長距離的糾纏?！?/span>

關(guān)鍵字

光子、量子、通信

參考資料

【1】https://www.nist.gov/news-events/news/2019/02/entangling-photons-different-colors-0

【2】Xiyuan Lu, Qing Li, Daron A. Westly, Gregory Moille, Anshuman Singh, Vikas Anant, Kartik Srinivasan. Chip-integrated visible–telecom entangled photon pair source for quantum communication. Nature Physics, 2019; DOI: 10.1038/s41567-018-0394-3