博科園：本文為量子物理學類
目前正在開發的一些最先進通信系統依賴於量子科學的特性來存儲和傳輸信息。然而，研究人員在設計量子通信系統時面臨著一個難題：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)來運作。然而，只有波長約為其10倍的近紅外光子才能在數公里的光纖中傳輸這些信息。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方法來解決這個問題。該團隊首次利用可大規模生產基於芯片的光學元件，創造出由一個可見光和一個近紅外光子組成的量子相關對。這些光子對結合了這優點：可見光夥伴可以與捕獲的原子、離子或其他系統進行交互。
博科園-科學科普：這些系統充當計算機內存的量子版本，而每對光子的近紅外成員可以自由地通過光纖進行長距離傳播。這一成就有望提高基於光的電路將信息安全傳輸到遠方的能力。NIST研究人員Lu Xiyuan, Kartik Srinivasan和在馬里蘭大學納米中心的同事在College Park，用一對特定的可見光和近紅外光子證明了量子相關，即所謂的糾纏。然而，研究人員的設計方法可以很容易地應用於創建許多其他可視/近紅外對，以匹配特定的感興趣的系統。此外，製造這種糾纏的微型光學元件也大量生產。盧、斯里尼瓦桑和同事最近在《自然物理學》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被製備時，量子糾纏發生，這種方式使得它們本質上緊密相連，表現為一個單元。確定其中一個糾纏粒子的量子態的測量，自動確定另一個糾纏粒子的狀態，即使這兩個粒子位於宇宙的相反方向。糾纏是許多量子信息方案的核心，包括量子計算和加密。在許多情況下，糾纏在一起的兩個光子具有相似波長或顏色。但是NIST的研究人員故意在顏色迥異光子之間製造奇怪的耦合-糾纏。斯里尼瓦桑說：我們希望把可見光光子和電訊光子聯繫起來。可見光光子有利於在原子系統中存儲信息，而通訊光子則是近紅外的，善於在低信號損耗的光纖中穿行。
NIST研究人員通過仔細設計微米級環形諧振腔的幾何形狀，產生了一對糾纏光子(光粒子)，它們有兩種不同的顏色或波長。泵浦激光器發出的光(諧振腔中的紫色區域)以可見光波長(諧振腔內外的紅色斑塊)在每對光子中產生一個光子；另一個光子在光譜的電信(近紅外)部分具有波長(藍色斑塊)。圖片：S. Kelley/NIST
為了使光子適合與大多數量子信息存儲系統進行交互，研究小組還需要在特定波長處使光達到峰值，而不是形成更廣泛、更分散的分佈。為了製造糾纏對，研究小組建造了一個特別定製的光學“耳語廊”：一個納米尺寸的氮化硅諧振器，它可以將光引導到一個微小的跑道上，就像聲波在彎曲的牆壁上暢通無阻地傳播一樣，比如倫敦聖保羅大教堂的圓頂。在這種彎曲的結構中，也就是所謂的聲耳語走廊，站在牆的一邊的人很容易聽到從牆的另一邊傳來的微弱聲音。當選定波長的激光直接進入諧振腔時，糾纏對可見光和近紅外光子就會出現。
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繫起來。盧說：我們想出瞭如何設計這些竊竊私語的走廊諧振器，以產生大量我們想要的對，幾乎沒有背景噪音和其他無關的光，研究人員證實，即使通信光子穿過數公里的光纖，糾纏仍然存在。在未來，通過將兩個糾纏對與兩個量子存儲器結合，光子對中固有的糾纏可以轉移到量子存儲器中。這種技術被稱為“糾纏交換”，它允許記憶在比正常情況下更長的距離內彼此糾纏在一起。斯里尼瓦桑說：我們的貢獻是找到了一種具有合適性質的量子光源，它可以實現這種長距離的糾纏。
博科園-科學科普｜研究/來自: 美國國家標準與技術研究所/Ben P. Stein
參考期刊文獻:《Nature Physics》
DOI: 10.1038/s41567-018-0394-3
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