量子通信重要里程碑！相隔十米的兩個(gè)量子存儲(chǔ)器間首次實(shí)現(xiàn)糾纏

據(jù)發(fā)表在2日《自然》雜志上的論文，西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的研究人員首次在相隔10米的兩個(gè)多模固態(tài)量子存儲(chǔ)器之間實(shí)現(xiàn)了量子糾纏，將一個(gè)單光子存儲(chǔ)在這兩個(gè)存儲(chǔ)器中，時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到25微秒。研究人員認(rèn)為，這是量子通信的重要里程碑，有助于開(kāi)發(fā)出用于未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的量子中繼器。

量子存儲(chǔ)器的作用類(lèi)似于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的中繼器，可提高信號(hào)強(qiáng)度和保真度，它與量子比特源都是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分。但要在量子水平上運(yùn)行這一系統(tǒng)，必須在量子存儲(chǔ)器之間建立長(zhǎng)距離的糾纏，并盡可能保持高效。

此次，研究人員使用了一種稀土摻雜的晶體作為量子存儲(chǔ)器，用兩個(gè)光源來(lái)產(chǎn)生相關(guān)的單光子對(duì)。在每對(duì)中，一個(gè)光子名為idler，波長(zhǎng)為1436納米(電信波長(zhǎng));另一個(gè)名為signal，波長(zhǎng)為606納米。單signal光子被發(fā)送到量子存儲(chǔ)器，并通過(guò)一種名為原子頻率梳的協(xié)議存儲(chǔ)在那里;idler光子則通過(guò)光纖發(fā)送分束器中，在那里關(guān)于它們的起源和路徑的信息被完全擦除。

研究論文第一作者、博士后研究員薩繆爾·格蘭迪說(shuō)：“我們擦除了任何關(guān)于idler光子來(lái)源的特征，這么做是因?yàn)槲覀儾幌胫廊魏侮P(guān)于signal光子的信息，以及它存儲(chǔ)在哪個(gè)量子存儲(chǔ)器中。”通過(guò)擦除這些特征，signal光子可能存儲(chǔ)在任何一個(gè)量子存儲(chǔ)器中，這意味著它們之間產(chǎn)生了糾纏。

以往實(shí)驗(yàn)大多使用預(yù)報(bào)光子(herald photons)來(lái)獲知量子存儲(chǔ)器之間的糾纏是否成功。在本實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用電信頻率的idler光子作為預(yù)報(bào)光子。每次探測(cè)到idler光子時(shí)，就證明發(fā)生了糾纏，這種糾纏由一個(gè)單光子在兩個(gè)遠(yuǎn)距離量子存儲(chǔ)器之間的疊加態(tài)構(gòu)成。

通過(guò)原子頻率梳的協(xié)議，研究人員還能在量子存儲(chǔ)器中多次存儲(chǔ)糾纏光子，這一功能類(lèi)似于在傳統(tǒng)信道中同時(shí)發(fā)送幾條消息的“多路復(fù)用”。這兩個(gè)關(guān)鍵功能首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)，為量子互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到更遠(yuǎn)距離奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)中使用的預(yù)報(bào)光子在電信頻率范圍，可與現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)兼容，相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)能更容易地整合到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施中。下一步，研究人員打算嘗試在實(shí)驗(yàn)室外把不同的節(jié)點(diǎn)連接在一起，并實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的糾纏。目前，他們正在巴塞羅那構(gòu)建第一條35公里長(zhǎng)的量子鏈路。

總編輯圈點(diǎn)：

這條消息讓人想起一個(gè)最近非常流行的表情包：我看不懂，但我大受震撼。說(shuō)實(shí)話(huà)，大部分量子領(lǐng)域成果，都會(huì)給人帶來(lái)這樣的觀感，因?yàn)榧幢阌米钔ㄋ滓锥恼Z(yǔ)言去解釋量子糾纏，也需要受眾從量子態(tài)、偏振、角動(dòng)量守恒等先了解起，才能體會(huì)其奧妙之處。那作為普通人到底該怎樣理解這樣一個(gè)研究呢?或許，根本不需要去懂。你只要知道，量子現(xiàn)象或暗示著宇宙的規(guī)則，而科學(xué)家嘗試去理解和實(shí)現(xiàn)它，能為我們未來(lái)的計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。(張佳欣)