背景

目前，某些正在開發中的最先進的通信係統，是依靠量子科學的特性來存儲(chu) 和傳(chuan) 輸信息。可是，研究人員們(men) 設計出的那些依靠光線而不是電流來傳(chuan) 輸信息的量子通信係統，麵臨(lin) 著一種窘境：存儲(chu) 和處理量子信息的光學元件通常需要可見光“光子（組成光的粒子）”來運行；但是隻有近紅外光光子（具有約10倍以上更長的波長）可以跨越幾千米的光纖傳(chuan) 輸量子信息。

創新

近日，美國國家標準與(yu) 技術研究院（NIST）的研究人員們(men) 開發出一種新方法來解決(jue) 這個(ge) 問題。團隊首次利用基於(yu) 芯片的可量產(chan) 光學元件，創造出由一個(ge) 可見光光子與(yu) 一個(ge) 近紅外光光子組成的量子關(guan) 聯的光子對。

這些光子對結合了可見光與(yu) 近紅外光的優(you) 勢：在每個(ge) 光子對中，可見光可以與(yu) 囚禁的原子、粒子或者作為(wei) 量子版本計算機存儲(chu) 器的其他係統進行交互；近紅外光可以通過光纖長距離地自由傳(chuan) 播。

這項成果有望提升光基電路向遙遠地方安全傳(chuan) 輸信息的能力。NIST 研究人員 Xiyuan Lu、Kartik Srinivasan 以及他們(men) 在馬裏蘭(lan) 大學帕克分校納米中心的同事們(men) ，采用由可見光光子與(yu) 近紅外光光子組成一個(ge) 特定的光子對，演示了這種量子關(guan) 聯，也稱為(wei) “糾纏”。然而，研究人員們(men) 的設計方法可以很容易地用於(yu) 創造許多其他的“可見光/近紅外光”光子對。這些光子對經過定製，能滿足特定係統的需求。此外，製造“糾纏”的小型光學元件可以量產(chan) 。

近日，Lu、Srinivasan 和他們(men) 的同事們(men) 在《自然物理學（Nature Physics）》期刊上描述了他們(men) 的工作。

技術

量子糾纏，是一個(ge) 更違反直覺的量子力學特性。當兩(liang) 個(ge) 或者更多的光子或者其他粒子，以一種方式內(nei) 在地關(guan) 聯在一起，表現如同整體(ti) 一樣時，量子糾纏就產(chan) 生了。無論兩(liang) 個(ge) 粒子之間的距離有多遠，測量一對糾纏粒子中某一個(ge) 粒子的量子狀態，會(hui) 自動決(jue) 定另一個(ge) 的狀態。糾纏是許多量子信息體(ti) 係的核心，包括量子計算和量子加密。

在許多情況下，兩(liang) 個(ge) 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(men) 特意打算製造奇特的光子對：兩(liang) 個(ge) 顏色差別很大的光子之間的糾纏。

Srinivasan 表示：“我們(men) 想要將可見光光子和電信光子聯係到一起，可見光光子對於(yu) 在原子級係統中存儲(chu) 信息很有幫助，而電信光子處於(yu) 近紅外光譜，善於(yu) 通過光纖以較低的信號損失傳(chuan) 輸。”

為(wei) 了使光子適合與(yu) 大多數的量子信息存儲(chu) 係統進行交互，團隊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(wei) 了創造出糾纏的量子對，團隊構建出一種特殊定製的光學“回音廊”：一個(ge) 納米級的氮化矽諧振器。它能操控光線圍繞著微型賽道傳(chuan) 播，類似聲波圍繞著曲麵牆壁暢通無阻地傳(chuan) 播，例如倫(lun) 敦聖保羅大教堂的穹頂。在這種所謂的“聲學回音廊”曲麵結構中，一個(ge) 人站在牆壁的某個(ge) 位置，很容易聽到從(cong) 牆壁其他位置傳(chuan) 來的微弱聲音。

當選定波長的激光被引導到諧振器中時，由可見光與(yu) 近紅外光的光子糾纏而成的光子對就會(hui) 出現。（實驗中出現的這種特殊的糾纏類型，也稱為(wei) 能量時間糾纏，將光子對的能量與(yu) 光子對產(chan) 生的時間聯係到一起。）

下圖所示：通過仔細地設計微米級的環狀諧振器，NIST的研究人員們(men) 製造出糾纏的光子對，這一對光子的顏色（或者說波長）差別很大。來自泵浦激光（諧振器中的紫色區域）生成每個(ge) 光子對中處於(yu) 可見光波長的光子（諧振器中與(yu) 周圍的紅色區域）；另外一個(ge) 光子具有處於(yu) 電信（近紅外）頻譜的波長（藍色區域）。

價(jia) 值

Lu 表示：“我們(men) 搞清楚了如何設計這些回音廊諧振器，產(chan) 生大量我們(men) 想要的光子對，它們(men) 具有很少的背景噪音和其他不相幹的光線。”研究人員們(men) 確認了，在電信光子通過光纖傳(chuan) 輸幾千米之後，糾纏仍然存在。

未來，通過將兩(liang) 個(ge) 量子存儲(chu) 器的兩(liang) 個(ge) 糾纏的光子對結合起來，光子對中固有的糾纏可以傳(chuan) 輸到量子存儲(chu) 器中。這種技術也稱為(wei) “糾纏交換”，它使得存儲(chu) 器可以跨越比通常情況更長的距離實現相互糾纏。

Srinivasan 表示：“我們(men) 貢獻是搞清楚了如何製造具有正確特性的量子光源，從(cong) 而實現這麽(me) 長距離的糾纏。”

關(guan) 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