背景

目前，某些正在開發中的最先進的通信系統，是依靠量子科學的特性來存儲和傳輸信息。可是，研究人員們設計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，面臨著一種窘境：存儲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。

創新

近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員們開發出一種新方法來解決這個問題。團隊首次利用基于芯片的可量產光學元件，創造出由一個可見光光子與一個近紅外光光子組成的量子關聯的光子對。

這些光子對結合了可見光與近紅外光的優勢：在每個光子對中，可見光可以與囚禁的原子、粒子或者作為量子版本計算機存儲器的其他系統進行交互；近紅外光可以通過光纖長距離地自由傳播。

這項成果有望提升光基電路向遙遠地方安全傳輸信息的能力。NIST 研究人員 Xiyuan Lu、Kartik Srinivasan 以及他們在馬里蘭大學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特定的光子對，演示了這種量子關聯，也稱為“糾纏”。然而，研究人員們的設計方法可以很容易地用于創造許多其他的“可見光/近紅外光”光子對。這些光子對經過定制，能滿足特定系統的需求。此外，制造“糾纏”的小型光學元件可以量產。

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

技術

量子糾纏，是一個更違反直覺的量子力學特性。當兩個或者更多的光子或者其他粒子，以一種方式內在地關聯在一起，表現如同整體一樣時，量子糾纏就產生了。無論兩個粒子之間的距離有多遠，測量一對糾纏粒子中某一個粒子的量子狀態，會自動決定另一個的狀態。糾纏是許多量子信息體系的核心，包括量子計算和量子加密。

在許多情況下，兩個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：兩個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系到一起，可見光光子對于在原子級系統中存儲信息很有幫助，而電信光子處于近紅外光譜，善于通過光纖以較低的信號損失傳輸。”

為了使光子適合與大多數的量子信息存儲系統進行交互，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。

為了創造出糾纏的量子對，團隊構建出一種特殊定制的光學“回音廊”：一個納米級的氮化硅諧振器。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“聲學回音廊”曲面結構中，一個人站在墻壁的某個位置，很容易聽到從墻壁其他位置傳來的微弱聲音。

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

下圖所示：通過仔細地設計微米級的環狀諧振器，NIST的研究人員們制造出糾纏的光子對，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）生成每個光子對中處于可見光波長的光子（諧振器中與周圍的紅色區域）；另外一個光子具有處于電信（近紅外）頻譜的波長（藍色區域）。

價值

Lu 表示：“我們搞清楚了如何設計這些回音廊諧振器，產生大量我們想要的光子對，它們具有很少的背景噪音和其他不相干的光線。”研究人員們確認了，在電信光子通過光纖傳輸幾千米之后，糾纏仍然存在。

未來，通過將兩個量子存儲器的兩個糾纏的光子對結合起來，光子對中固有的糾纏可以傳輸到量子存儲器中。這種技術也稱為“糾纏交換”，它使得存儲器可以跨越比通常情況更長的距離實現相互糾纏。

Srinivasan 表示：“我們貢獻是搞清楚了如何制造具有正確特性的量子光源，從而實現這么長距離的糾纏。”

關鍵字

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