NIST的研究人员通过将微米级环形谐振腔设计成特定几何形状并引入特定波长的激光，可以产生一对纠缠光子。
目前，正在开发中的先进通信系统主要依靠量子科学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巨大的难题：存储和处理量子信息的光学元件通常只能使用可见光光子。而具备远距离信息传输性能的近红外光子的波长是可见光的近10倍。
sciencedaily.com网站2月25日报道，《自然•物理学》发文称，现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员Lu Xiyuan，Kartik Srinivasan和马里兰大学纳米中心的同仁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的基于芯片的光学元件，使一个可见光光子和一个近红外光子建立了量子相关性。这对光子组合了两者的优点：可见光光子可以与捕获的原子或离子等进行交互，而近红光光子则可以自由地通过光纤进行长距离传输。这种新方法有望提高光电路远距离、高安全性传输信息的能力。Lu等使用的方法虽然是用特定的可见光光子和近红外光子形成量子纠缠，但该方法可以很容易地“移植”到其他可见光/近红外光子组合中，以匹配特定的系统应用。此外，制造这种量子纠缠的微型光学元件已经可以大量生产。
量子纠缠是量子力学中最违反常理的性质之一。当两个光子产生量子纠缠时，它们会形成紧密的联系，表现得像一个整体——只要确定其中一个光子的量子状态，即便另一个光子远在宇宙另外一端，也能自动确定其量子状态。量子纠缠是量子信息技术的核心，在许多情况下，能形成量子纠缠的两个光子具有相似的波长或光色，但NIST的研究人员故意创造了奇怪的组合：形成量子光子纠缠的两种光子的颜色是不同的。Srinivasan说：“我们希望把可见光光子和电信光子联系起来。可见光光子有利于在原子系统中存储信息，而近红外的电信光子则善于在低信号损耗的光纤中自由穿行。”为了使光子顺利与大多数量子信息存储系统进行交互，研究人员还需要在特定波长处使光达到峰值。
为了制造量子纠缠对，研究人员制造了一个特殊的光学“回音廊”：纳米尺寸的氮化硅谐振器，它能将光引导进入微小的弯曲结构中，使其像伦敦圣保罗大教堂圆顶中的声波一样，在弯曲的墙壁上畅通无阻。当特定波长的激光进入谐振腔时，就会产生可见光光子和近红外光子的量子纠缠。Lu等使用的特定类型的纠缠称为时间-能量纠缠，可以将光子对的能量与它们产生的时间联系起来。Lu说：“我们的设计几乎没有背景噪音和无关光。即使通信光子需要穿过数公里长度的光纤，量子纠缠仍然存在。”
在未来，通过将量子纠缠对与双量子存储器结合，光子对中固有的量子纠缠可以转移到量子存储器中。这种技术称为“纠缠交换”。Srinivasan说：“我们的成果是找到了一种恰当的量子光源，它可以实现长距离的量子纠缠。”
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编译：雷鑫宇
审稿：三水
责编：唐林芳
期刊来源：《自然•物理学》
期刊编号：1745-2473
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190225170254.htm
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