Natuer | 高效生成多纠缠光子

摘要：

       物理学家已经设法以一种确定的方式有效地纠缠了十几个光子。因此，它们为新型量子计算机奠定了基础。

       为了有效地使用量子计算机，需要大量专门准备的——用技术术语来说：纠缠的——基本构建块来执行计算操作。马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家现在首次用单个原子发射的光子演示了这一任务。根据一项新技术，研究人员在一个光学谐振器中产生了多达14个纠缠光子，这些光子可以以一种有针对性和非常有效的方式制备成特定的量子物理态。新方法可以促进构建功能强大、健壮的量子计算机，并为未来的数据安全传输服务。

来源：MPQ

       量子世界的现象，从普通日常世界的角度来看，往往显得怪异，但早已进入技术领域。例如，纠缠：粒子之间的量子物理连接，在任意长的距离上以奇怪的方式连接它们。例如，它可以用于量子计算机——一种不同于传统计算机的计算机，它可以同时执行许多数学运算。然而，为了有价值地使用量子计算机，大量纠缠粒子必须一起工作。它们是计算的基本元素，即所谓的量子位。

       马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的博士生Philip Thomas说：“光子，即光的粒子，特别适合于这一点，因为它们本质上很坚固，易于操作。”。相关研究人员现在已经成功地朝着使光子可用于量子计算等技术应用迈出了重要一步：该团队首次以定义的方式高效地生成了多达14个纠缠光子。

一个原子作为光子源

       Thomas说：“这个实验的诀窍是，我们用一个原子发射光子，并以一种非常特殊的方式将它们交织在一起。”。为了做到这一点，研究人员在光腔的中心放置了一个铷原子——一种电磁波的回音室。使用一定频率的激光，可以精确地确定原子的状态。通过使用额外的控制脉冲，研究人员还特别触发了与原子量子态纠缠的光子的发射。

       “我们以先前确定的方式多次重复了这一过程，”。在这两者之间，原子以某种方式被操纵——用技术术语来说：旋转。通过这种方式，可以创建一个由多达14个轻粒子组成的链，这些粒子通过原子旋转相互纠缠，并进入所需状态。Thomas强调：“据我们所知，14个相互连接的光粒子是迄今为止实验室中产生的最大数量的纠缠光子。”。

确定地生成过程

       但不仅是纠缠光子的数量标志着量子计算机的发展迈出了一大步——它们的产生方式也与传统方法大不相同。Thomas解释说：“因为光子链是由单个原子产生的，所以它可以以确定性的方式产生。”。这意味着：原则上，每个控制脉冲实际上传递了具有所需特性的光子。到目前为止，光子的纠缠通常发生在特殊的非线性晶体中。缺点是，光粒子基本上是随机创建的，并且无法控制，这也限制了集体状态的粒子数量。

       另一方面，Garching团队使用的方法基本上可以产生任意数量的纠缠光子。此外，该方法特别有效——这是未来应用的另一个重要衡量标准：“通过测量产生的光子链，我们能够证明效率接近50%，” Thomas说。这意味着：在铷原子上几乎每秒钟“按下一个按钮”就会产生一个可用的轻粒子——远远超过以前的实验。“

量子通信

       MPQ的科学家们希望消除另一个障碍。例如，复杂的计算操作需要至少两个原子作为谐振器中的光子源。量子物理学家称之为二维团簇态。Thomas透露：“我们已经在努力解决这个问题。”。马克斯·普朗克的研究人员还强调，潜在地应用远远超出了量子计算：“另一个应用例子是量子通信”——信息的防泄露传输，例如通过光纤中的光。由于散射和吸收等光学效应，光在传播过程中不可避免地遭受损失，这限制了数据传输的距离。使用Garching开发的方法，量子信息可以封装在纠缠光子中，实现远距离安全通信。

[1] Philip Thomas, Leonardo Ruscio, Olivier Morin, Gerhard Rempe. Efficient generation of entangled multiphoton graph states from a single atom. Nature, 2022; 608 (7924): 677 DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5