马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究人员首次用单个原子在光学谐振腔中产生了多达14个纠缠光子，这些光子可以有针对性且非常有效地制备成特定的量子态。这种新方法可以促进构建光量子计算机，并为未来的数据安全传输服务。该研究成果于8月24日发表在《自然》杂志上。
量子世界的现象，从日常世界的角度来看，往往很奇怪。例如纠缠：粒子之间的量子关联，以一种奇怪的方式在任意长的距离上产生联系。要构建量子计算机，必须有大量的纠缠粒子协同工作，它们是计算的基本单元，即所谓的量子比特。“光子特别适合做量子比特，因为它们很稳定并且易于操作，”MPQ的博士生Philip Thomas说。现在，他与Gerhard Rempe教授领导的研究小组一起，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：该团队首次以可控方式高效生成14个纠缠光子。此前，光子纠缠数目的记录是中国科大潘建伟团队于2018年实现的12个光子纠缠，同年该团队利用六个光子的三个不同自由度实现了18个量子比特纠缠，至今仍是光量子比特纠缠的世界纪录。
“这个实验的诀窍是使用单个原子发射光子并以非常明确的方式将它们纠缠在一起，”Thomas说。为此，MPQ的研究人员将铷原子置于光学腔的中心，使用特定频率的激光，精确地制备原子态。然后使用额外的控制脉冲以触发一个与原子量子态纠缠的光子的发射。Thomas说：“我们按照事先确定的方式，多次重复了这个过程。”在这两个操作之间，原子被以某种方式操纵，用术语来说就是：旋转。通过这种方式，有可能创造出多达14个光子的链，这些光子通过原子旋转相互纠缠，并进入所需的态。Thomas强调说：“就我们所知，这14个相互纠缠的光子是迄今为止实验室中产生的最大数量的纠缠光子。”
更重要的是，不仅是纠缠光子的数量标志着向强大的光量子计算机的发展迈出了一大步，它们产生的方式也与传统的方法非常不同。Thomas解释说：“因为光子链是从一个原子中产生的，所以它可以以一种确定性的方式产生。原则上，每个控制脉冲实际上都能提供一个具有所需特性的光子。”在以前的方法中，光子的纠缠通常发生在特殊的非线性晶体中。那样光子基本上是随机产生的，其方式无法控制，也限制了可以被关联成集体态的光子的数量。同时，Garching团队使用的方法理论上允许生成任意数量的纠缠光子。“通过测量产生的光子链，我们证明生成效率接近50%，”Thomas说。这意味着：铷原子上几乎每一秒“按一下按钮”都会发出一个可用的光子，效率远远超过之前的实验。“总而言之，我们的工作消除了通往可扩展、基于测量的光量子计算道路上长期存在的障碍，”Gerhard Rempe总结了结果。
现在，MPQ的研究人员想要消除另一个障碍。复杂的计算操作将需要至少两个原子作为谐振腔的光子源，即量子物理学家所称的二维簇态。研究人员还强调，可能的技术应用不止量子计算：另一个应用示例是量子通信。例如光纤中的光，由于散射和吸收等光学效应，光在传播过程中会遭受不可避免的损失，这限制了数据传输的距离。使用他们开发的方法，量子信息可以封装在纠缠光子中，并且还可以承受一定量的光损失，有望实现更远距离的安全通信。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8684
报道链接：
https://www.mpq.mpg.de/6736453/08-entangled-photons-tailor-made