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不同顏色的光子糾纏 通過(guò)精心設(shè)計(jì)微米級(jí)環(huán)形諧振器的幾何結(jié)構(gòu)，NIST的研究人員產(chǎn)生了成對(duì)的糾纏光子（光粒子），它們具有兩種截然不同的顏色或波長(zhǎng)。泵浦激光器發(fā)射（諧振器中的紫色區(qū)域）的光在每對(duì)中產(chǎn)生一個(gè)可見(jiàn)光波段的光子（諧振器內(nèi)和周?chē)募t色斑點(diǎn)）; 另一個(gè)光子的波長(zhǎng)在光譜的通信（近紅外）波段（藍(lán)色斑點(diǎn)）。從量子通信的角度來(lái)看，這些配對(duì)結(jié)合了光學(xué)電路中兩者的優(yōu)點(diǎn)：可見(jiàn)光可以與被捕獲的原子，離子或其他作為計(jì)算機(jī)內(nèi)存的量子版本的系統(tǒng)相互作用，而每對(duì)中在通信波段的一個(gè)光子可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。  圖片來(lái)源：S. Kelley / NIST 目前正在開(kāi)發(fā)的一些最先進(jìn)的通信系統(tǒng)依賴(lài)于量子科學(xué)的特性來(lái)存儲(chǔ)和傳輸信息。然而，研究人員在設(shè)計(jì)依賴(lài)于光而不是電流來(lái)傳輸信息的量子通信系統(tǒng)時(shí)面臨著一個(gè)難題：存儲(chǔ)和處理量子信息的光學(xué)組件通常需要可見(jiàn)光光子（光粒子）來(lái)操作。然而，只有波長(zhǎng)大約長(zhǎng)10倍的近紅外光子才能在數(shù)公里的光纖上傳輸這些信息。 現(xiàn)在，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種解決這一問(wèn)題的新方法。該團(tuán)隊(duì)首次使用可以大規(guī)模生產(chǎn)的基于芯片的光學(xué)元件創(chuàng)建了由一個(gè)可見(jiàn)光和一個(gè)近紅外光子組成的量子相關(guān)對(duì)。這些光子對(duì)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)：可見(jiàn)光可以與被捕獲的原子，離子或其他系統(tǒng)相互作用，這些系統(tǒng)充當(dāng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的量子版本，而每對(duì)的近紅外成員可以通過(guò)光纖進(jìn)行自由地長(zhǎng)距離傳輸。 該成就有望提高基于光的電路，將信息安全地傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的能力。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員Xiyuan Lu，Kartik Srinivasan和他們?cè)隈R里蘭大學(xué)納米中心的同事，使用一對(duì)特定的可見(jiàn)光和近紅外光子證明了量子相關(guān)，即所謂的糾纏。然而，研究人員的設(shè)計(jì)方法可以很容易地應(yīng)用于創(chuàng)建許多其他可見(jiàn)光/近紅外線對(duì)，以匹配特定的感興趣的系統(tǒng)。而且，產(chǎn)生纏結(jié)的微型光學(xué)元件也大量制造。 最近，Lu，Srinivasan和他們的同事在Nature Physics上描述了他們的工作。 量子糾纏是量子力學(xué)的一個(gè)更具有違反直覺(jué)的特性之一，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)光子或其他粒子以某種方式在本質(zhì)上相互關(guān)聯(lián)著而表現(xiàn)得像一個(gè)整體。測(cè)量一個(gè)糾纏粒子的量子態(tài)，會(huì)自動(dòng)確定另一個(gè)的狀態(tài)，即使這兩個(gè)粒子位置相對(duì)。糾纏是許多量子信息方案的核心，包括量子計(jì)算和加密。 在許多情況下，纏繞的兩個(gè)光子具有相似的波長(zhǎng)或顏色。但美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員故意創(chuàng)造奇數(shù)對(duì)光子 – 糾纏發(fā)生在顏色非常不同的光子之間。 Srinivasan說(shuō)：“我們希望將可見(jiàn)光光子連接在一起，這些光子有利于在原子系統(tǒng)中存儲(chǔ)信息，而通信光子則處于近紅外，能夠低信號(hào)損耗地進(jìn)行光纖傳輸�！� 為了使光子適合與大多數(shù)量子信息存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行交互，該團(tuán)隊(duì)還需要使光在特定波長(zhǎng)處達(dá)到峰值，而不是具有更寬，更彌散的分布。 為了創(chuàng)造糾纏對(duì)，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)專(zhuān)門(mén)定制的光學(xué)“耳語(yǔ)廊” - 一個(gè)納米尺寸的氮化硅諧振器，它可以將光線引導(dǎo)到一個(gè)小小的軌道上，類(lèi)似于聲波在倫敦的圣保羅大教堂彎曲的墻壁（如圓頂）周?chē)鷷惩o(wú)阻地傳播的方式。在這種被稱(chēng)為聲學(xué)耳語(yǔ)廊的彎曲結(jié)構(gòu)中，站在墻壁一邊附近的人容易聽(tīng)到從墻的另一邊傳來(lái)的微弱聲音。 當(dāng)選定波長(zhǎng)的激光進(jìn)入到諧振器中時(shí)，可見(jiàn)光和近紅外光子糾纏對(duì)就出現(xiàn)了。（實(shí)驗(yàn)中使用的特定糾纏類(lèi)型，稱(chēng)為時(shí)間-能量糾纏，將光子對(duì)的能量與它們產(chǎn)生的時(shí)間聯(lián)系起來(lái)。） |
