【前沿动态】研究者利用扭曲光子实现长距离量子瞬移纠缠
过去的30年，随着新协议及新算法的发展，量子通信与量子计算理论取得了长足的进步。然而，应用这些理论来设计未来的量子互联网却一直是一个挑战，因为构建处理量子信息的科技，例如目前仍没什么头绪的量子中继器等，都被证实是极其困难的。
维也纳大学研究者安东·蔡林格是量子通信领域的先驱之一，其团队于1997年首次发现了光子瞬移现象。上周一，蔡林格及其团队在《美国国家科学院院刊》（ PNAS）上发表了两篇论文，报告了在量子纠缠传送领域的突破。他们创纪录地在143千米（连接了拉帕尔玛的加纳利群岛和特纳里夫岛）的距离下，实现了独立量子位的纠缠传送。
该团队还实现了3千米距离上扭曲光子的纠缠。对于量子纠缠传送，又称为量子纠缠互换，研究者利用了新奇的现象。利用联合测量，即贝尔态测量，将光子纠缠在一起是可能的。然后，这些光子被连接在一起，然后通过扭转其中一个的两极，比如从上至下扭转，那么另一个光子的两极就会自下而上扭转。假设现在有两对纠缠的量子，“0”和“1”在接收站，“2”和“3”在发射台。两对纠缠量子都探测不到彼此，换句话说，两对量子之间没有物理连接。假设现在，将量子3从发射台发射至接收站，同时对量子3和量子1进行贝尔态测量，然后，量子3和量子1就会完成纠缠。然而，出乎意料的是，现在，留在发射台的量子2也同样与接收站的量子0完成纠缠。两对量子之间的纠缠完成了互换，尽管量子0和2从未和彼此进行正式连接，两个量子之间却已经建立了量子通信通道。
蔡林格研究团队成员托马斯·石代尔称，量子纠缠互换连同量子存储器将会成为未来与卫星安全量子连接的重要组成部分。
据蔡林格团队研究员马里奥·科伦称，他们的团队正与中国科学技术大学的一个团队合作关于卫星项目。明年，中科院将发送其量子科学卫星，这将会提供机载量子源，欧洲和中国的卫星和地面接收站将会建成第一个太空-地球量子网络。科伦称：“在空间站之间将会建成两个量子通道，一个与欧洲连接，一个与中国连接，二者结果可以相结合，保证100%安全量子通信的获取。”
科伦是发表在《美国国家科学院院刊》（ PNAS）的第二篇论文的作者之一，该论文描述了尽管扭曲量子位于距离彼此3公里的建筑内，量子之间仍有纠缠。一年之前，我们在《IEEE Spectrum》中报道了该团队在相似距离上的另一个光量子态传输实验，轨道角动量（AOM）。科伦称：“去年的实验是必不可少的一步，该实验很成功。现在我们能够说明，在单光子层面，长距离内每个光子都能以AOM的形式保存信息，即使是在3公里外也能彼此纠缠。”
光子只能存在于上和下的偏振状态或水平。但是，科伦解释说，理论上OAM状态的数量是无限的，“在实验室中，我们已经展示了我们能够创造出100维度的量子纠缠，也就是说，纠缠的不同标准的光子可以达到100种。”
为了验证OAM模式下的量子纠缠是否可以在紊流大气中实现，研究者在发送器处放置了极化光子对，都通过30米的光纤被发送至接收器，其中一组光子延迟发送。在被发送至接收器前，没有延迟的光子的偏振状态被转换为两种OAM转态之一，与原始偏振状态相对应。通过对发射器出延迟发送的光子和接收器处检测到的光子同时进行分开测量，研究者发现两个光子互相纠缠。
科伦称：“我们确定纠缠一定发生了，在这样的测算准备下，不会出现经典的量子信息迂回。“科伦还指出，由于距离过长，即使是光速信号也无法在第一个光子被测量时到达，因此测算结果彼此不会互相影响。
科伦称，控制扭曲量子态比控制偏振状态更加复杂，但是在多重维度上纠缠光子的可能性值得我们努力。
（本文转自译言网，译者： 把悲伤留给自己，原作者：Alexander Hellemans，原文来源：spectrum.ieee.org）
【重磅推荐】“战略前沿技术”2015年全部历史文章已整理完毕，请回复“2015”或点击自定义菜单中的历史文章“2015文章全收录”查阅！