量子纠缠的里程碑：第一个可编程光学量子存储器

光子盒研究院出品

2022届诺贝尔物理学家颁给了量子纠缠：尽管有时相隔数千公里，但微小的粒子却相互关联；爱因斯坦称这一纠缠现象为“远距离的幽灵行动”，它是量子物理学的一个基本组成部分。包含多个量子粒子的纠缠系统在实施量子算法方面有很大的好处，这些算法有可能被用于通信、数据安全或量子计算。

近日，德国帕德博恩大学、乌尔姆大学的研究人员合作，开发了第一个可编程的光学量子存储器。研究成果以《通过主动前馈和多路复用产生可扩展的多光子纠缠态》为题，作为“编辑推荐”发表在《物理评论快报》期刊上[1]。

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纠缠的光子

帕德博恩大学物理系和光子量子系统研究所（PhoQS）的Christine Silberhorn教授领导的“集成量子光学”小组正在使用微小的光子作为量子系统。研究人员正在寻求将尽可能多的光子纠缠；他们与乌尔姆大学理论物理研究所的研究人员一起提出了一种新的方法。

以前，试图将两个以上的粒子纠缠在一起，只能导致非常低效的纠缠。如果研究人员想把两个粒子与其他粒子联系起来，这需要很长时间的等待，因为促进这种纠缠的互连只以有限的概率运作。这意味着一旦下一个合适的粒子到来，光子就不再是实验的一部分：因为储存量子比特状态是一个重大的实验挑战。

“集成量子光学”工作组的研究人员纠缠光子。

获得多光子纠缠的传统方法需要大量的光子源。每个源同时产生一个纠缠光子对，这些光子随后相互干涉。该过程是概率性的，因为每一步仅成功产生对纠缠，例如每20次尝试一次。随着越来越多的光子被尝试纠缠，这种可能性会呈指数级下降。

现在，一项新的实验展示了如何在这个量子机会游戏中提高自己的胜算。该方法的工作原理类似于纠缠装配线，其中纠缠的光子对按顺序创建并与存储的光子结合[2]。

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以更高的概率实现量子纠缠

“我们现在开发了一种可编程的、光学缓冲的量子存储器，它可以在不同的模式之间动态地来回切换；包括存储模式、干涉模式和最后的释放模式。”Silberhorn解释说[3]。在实验装置中，一个小的量子态可以被存储，直到产生另一个状态，然后两者可以纠缠在一起。这使得一个大的、纠缠的量子态能够逐个粒子地“成长”。

通过这个可编程光学量子存储器，Silberhorn的团队已经制造了四光子和六光子纠缠态，成功率分别是传统方法的9倍和35倍。相比之下，由德国研究人员进行的有史以来最大的光子对纠缠由14个单独的粒子组成；然而，创造这种状态所花费的时间要多得多。

图片左侧（绿色三角形）是一个量子光源，它被泵浦直到产生两个纠缠光子。然后测量一个光子（黄色方块）并产生一个电子信号。另一个光子进入存储器。实验的核心可以在图片的右侧看到：一个纯光学量子偏振存储器（右方块），可以通过前馈信号（通过黑色电缆）进行动态编程。这意味着如果检测到一个光子，则会存储“伙伴光子”，直到生成下一对光子。此时，可编程存储器的工作模式被切换，新产生的光子和存储的光子之间的干涉被激活。因此，通过重复该过程，多光子纠缠态的大小逐渐增加。

(a)实验方法的工作原理。贝尔对是按顺序产生的。一个光子的检测触发了包括现场可编程门阵列（FPGA）在内的前馈，这反过来又控制了一个全光存储回路的操作模式。(b)实验装置的简图。

Silberhorn解释说：“我们的系统允许逐渐建立起越来越大的纠缠态，这比以前的任何方法都更可靠、更快、更有效。对我们来说，这代表了一个里程碑，使我们离有用的量子技术的大型纠缠态的实际应用越来越近了。这种新方法可以与所有常见的光子对源相结合，这意味着其他科学家也将能够使用这种方法。”

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.150501

[2]https://physics.aps.org/articles/v15/s135

[3]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/milestones-achieved-on-the-path-to-useful-quantum-tech/

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