NIST的研究人員通過將微米級環形諧振腔設計成特定幾何形狀並引入特定波長的雷射，可以產生一對糾纏光子。
目前，正在開發中的先進通信系統主要依靠量子科學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巨大的難題：存儲和處理量子信息的光學元件通常只能使用可見光光子。而具備遠距離信息傳輸性能的近紅外光子的波長是可見光的近10倍。
sciencedaily.com網站2月25日報導，《自然?物理學》發文稱，現在，美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員Lu Xiyuan，Kartik Srinivasan和馬裡蘭大學納米中心的同仁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的基於晶片的光學元件，使一個可見光光子和一個近紅外光子建立了量子相關性。這對光子組合了兩者的優點：可見光光子可以與捕獲的原子或離子等進行交互，而近紅光光子則可以自由地通過光纖進行長距離傳輸。這種新方法有望提高光電路遠距離、高安全性傳輸信息的能力。Lu等使用的方法雖然是用特定的可見光光子和近紅外光子形成量子糾纏，但該方法可以很容易地「移植」到其他可見光/近紅外光子組合中，以匹配特定的系統應用。此外，製造這種量子糾纏的微型光學元件已經可以大量生產。
量子糾纏是量子力學中最違反常理的性質之一。當兩個光子產生量子糾纏時，它們會形成緊密的聯繫，表現得像一個整體——只要確定其中一個光子的量子狀態，即便另一個光子遠在宇宙另外一端，也能自動確定其量子狀態。量子糾纏是量子信息技術的核心，在許多情況下，能形成量子糾纏的兩個光子具有相似的波長或光色，但NIST的研究人員故意創造了奇怪的組合：形成量子光子糾纏的兩種光子的顏色是不同的。Srinivasan說：「我們希望把可見光光子和電信光子聯繫起來。可見光光子有利於在原子系統中存儲信息，而近紅外的電信光子則善於在低信號損耗的光纖中自由穿行。」為了使光子順利與大多數量子信息存儲系統進行交互，研究人員還需要在特定波長處使光達到峰值。
為了製造量子糾纏對，研究人員製造了一個特殊的光學「回音廊」：納米尺寸的氮化矽諧振器，它能將光引導進入微小的彎曲結構中，使其像倫敦聖保羅大教堂圓頂中的聲波一樣，在彎曲的牆壁上暢通無阻。當特定波長的雷射進入諧振腔時，就會產生可見光光子和近紅外光子的量子糾纏。Lu等使用的特定類型的糾纏稱為時間-能量糾纏，可以將光子對的能量與它們產生的時間聯繫起來。Lu說：「我們的設計幾乎沒有背景噪音和無關光。即使通信光子需要穿過數公裡長度的光纖，量子糾纏仍然存在。」
在未來，通過將量子糾纏對與雙量子存儲器結合，光子對中固有的量子糾纏可以轉移到量子存儲器中。這種技術稱為「糾纏交換」。Srinivasan說：「我們的成果是找到了一種恰當的量子光源，它可以實現長距離的量子糾纏。」
編譯：雷鑫宇
審稿：三水
責編：南熙