纠缠不同颜色的光子

目前正在开发的一些最先进的通信系统依赖于量子科学的特性来存储和传输信息。然而，设计依赖于光而不是电流来传输信息的量子通信系统的研究人员面临着困境：存储和处理量子信息的光学组件通常需要可见光光子(光粒子)来操作。然而，只有近红外光子 - 波长大约10倍 - 才能在数公里的光纤上传输这些信息。

现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经开发出一种解决这一问题的新方法。该团队首次使用可以批量生产的基于芯片的光学元件创建了由一个可见光和一个近红外光子组成的量子相关对。这些光子对结合了两者的优点：可见光伙伴可以与被捕获的原子，离子或其他系统相互作用，这些系统充当计算机存储器的量子版本，而每对的近红外成员可以自由地长距离传播通过光纤。

该成就有望提高基于光的电路将信息安全地传输到遥远位置的能力。美国国家标准与技术研究院的研究人员Xiyuan Lu，Kartik Srinivasan和他们在大学公园的马里兰大学纳米中心的同事，使用一对特定的可见光和近红外光子证明了量子相关，称为纠缠。然而，研究人员的设计方法可以很容易地应用于创建许多其他可见光/近红外线对，以匹配特定的感兴趣的系统。而且，产生缠结的微型光学元件大量制造。

Lu，Srinivasan和他们的同事最近描述了他们在自然物理学方面的工作。

量子力学的一个更具有违反直觉的特性，量子纠缠发生在两个或多个光子或其他粒子的制备方式使得它们如此内在地连接以使它们表现为一个单元时。确定一个纠缠粒子的量子态的测量自动确定另一个的状态，即使这两个粒子位于宇宙的相对侧。纠缠是许多量子信息方案的核心，包括量子计算和加密。

在许多情况下，缠绕的两个光子具有相似的波长或颜色。但美国国家标准与技术研究院的研究人员故意开始创造奇怪的情侣 - 颜色非常不同的光子之间的纠缠。

Srinivasan说：“我们希望将可见光光子连接在一起，这些光子有利于在原子系统中存储信息，而电信光子则处于近红外线状态，能够通过低信号损耗的光纤传输。”

为了使光子适合与大多数量子信息存储系统进行交互，该团队还要求光在特定波长处达到尖峰，而不是具有更宽，更扩散的分布。

为了创造纠缠对，该团队构建了一个专门定制的光学“耳语廊” - 一个纳米尺寸的氮化硅谐振器，将光线引导到一个小小的赛道上，类似于声波在弯曲的墙壁(如圆顶)周围畅通无阻地传播的方式在伦敦的圣保罗大教堂。在这种被称为声学耳语廊的弯曲结构中，站在墙壁一部分附近的人容易听到源自墙壁任何其他部分的微弱声音。

当选定波长的激光被引导到谐振器中时，出现了缠绕的可见光和近红外光子对。(实验中使用的特定纠缠类型，称为时间 - 能量纠缠，将光子对的能量与它们产生的时间联系起来。)

“我们想出了如何设计这些低语画廊谐振器，以产生大量的我们想要的对，背景噪音很小，其他外来光线很少，”卢说。研究人员证实，即使在电信光子穿过数公里的光纤之后，纠缠仍然存在。

将来，通过将两个纠缠对与两个量子存储器组合，光子对中固有的纠缠可以转移到量子存储器。这种被称为纠缠交换的技术允许存储器在比通常可能的更长的距离上彼此缠绕。

“我们的贡献是弄清楚如何制造出能够实现这种长距离纠缠的合适属性的量子光源，”Srinivasan说。