未来产业

科学家在50公里光纤上实现了光-物质量子纠缠

量子纠缠的现象,特指一对粒子可在超远距离内维持纠缠态。若能成功借助这项特殊的性质,即可奠定新型通信方式的基础。

神秘的量子力学,有朝一日会成为更快、更安全的互联网的一部分。来自因斯布鲁克大学和奥地利科学院的研究团队,刚刚设法将一对纠缠态的光-物质量子,发送到了一条 50 公里(31 英里)的光纤上。据悉,量子纠缠的现象,特指一对粒子可在超远距离内维持纠缠态。若能成功借助这项特殊的性质,即可奠定新型通信方式的基础。

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艺术想象图(来自:University of Innsbruck,via New Atlas

因斯布鲁克大学(University of Innsbruck)和奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences)的研究人员们,近日成功地将钙离子和光子纠缠到了一起,然后将其送入了超远距离的光纤。
团队使用的钙离子,被悬浮在离子阱中。其使用激光在离子上写入量子态,以激发它发射光子。当这个光子产生时,就具有与离子相同的量子态,意味着两个粒子已实现了纠缠。

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(研究配图 - 1:简化示意图)

研究的下一步,是如何以快乐的方式去发送光子,并维持这对粒子间的量子连接。因为光子的波长为 854 nm,它会很快被光纤所吸收,所以必须将它转换为当前标准的 1550nm 电信波长。
为此,研究人员必须先通过非线性晶体来发送光子(晶体要接受强大的激光照射),以做好长途旅行的准备。

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(研究配图 - 2:观察 50KM 光纤上的离子-光子纠缠)

测试表明,光子不仅可以在长达 50 公里的光缆行程中存活,且即便在经过了波长转换之后,也能够保持与离子的纠缠态。
实际上,这也创下了光-物质纠缠物理实验的新距离纪录!此前,纠缠光子对已经在 Micius 卫星上实现了跨 1200 公里(745 英里)的通信。

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(研究配图 - 3:实现百公里级光-物质纠缠的一种方法)

换言之,这项最新的研究,使得打造基于量子的互联网基础设施成为了可能。同时,研究团队在努力增加有效传输距离。
比如相距 100 公里(62 英里)的钙离子,可以与它们的纠缠光子相互映射,在路程中间的一个交叉点相会。在那里,两个光子可能彼此纠缠在一起,并失去与离子的连接。

展望未来,量子互联网可由相距 100 公里的节点组成,将各个城市相互连接起来。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《量子信息》(Quantum Information)期刊上。原标题为:
《Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre》

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