丹麦研究人员成功实现激光的量子纠缠

哥本哈根大学(University of Copenhagen)尼尔斯玻尔(Niels Bohr)研究所量子光学组的研究人员最近成功实现激光的量子纠缠态。

通过在同一个机械谐振器上反弹的方式，两束激光成功纠缠在一起。

这对于研究各种电磁场（微波辐射、光束等）的纠缠态提供了一种新思路。该研究结果已发表在《自然通讯》杂志上。

如何使微波下运行的两台远程量子计算机之间共享纠缠，是一个长期性问题。而在光场和微波场之间建立纠缠，迈出了解决这一挑战的关键一步。

左起：实验室中的David Mason，Chenxin Chen和Massimiliano Rossi。图片来源：Ola Joensen

在未来的量子互联网（即量子计算机的互联网）中，两个相距遥远的量子计算机需要共享纠缠。这通常使用电磁链路（例如光纤）来完成。
目前，最先进的量子系统之一基于超导电路，该系统在微波状态下工作。
尽管已经非常先进，但是在网络中连接此类计算机仍然面临着严峻的挑战：微波无法实现远距离的无损传播，这会影响量子计算的工作。
缓解此问题的一种方法是先将微波与光场纠缠在一起，然后使用损耗低得多的光链路进行长距离通信。但是，由于波长差异很大（微波为毫米，光为微米），这种转换仍然充满挑战。

物体被光粒子轰击时产生振动

当电磁场（即激光束）从振动的物体反射时，它的振动可以被读出。这是光学传感中广泛应用的效果。另一方面，电磁场由光子，光的能量子弹(energy bullets of light)组成。

当光从物体反射回来时，光子轰击它，从而导致额外的振动，这种额外的振动被称为量子反作用。

两个电磁场在同一机械物体上的反射提供了场之间的有效相互作用。不管两个场的波长如何，都发生这种相互作用。科学家可以利用这种相互作用在两个场之间产生纠缠，例如在微波和光学之间。

尽管量子反作用在小到一个原子的物体上可能很突出，但直到最近几年，研究人员才能够制造出对观察这种效应非常敏感的宏观机械装置。

超灵敏的机械设备调解纠缠

在他们现在的工作中，来自量子光学组的研究人员使用了一种3x3毫米宽的薄膜，该薄膜由氮化硅制成，并穿有孔洞的图案，隔离了中央垫片的运动。这使得设备足够灵敏从而能够显示量子反作用。

他们同时在膜上照射两束激光，其中一束激光看到另一束的量子反作用，反之亦然。这样，在两个激光器之间就产生了很强的相关性，甚至产生了纠缠。

“你可以说这两个激光通过膜的运动'交谈'，”Chen Junxin说。他在博士期间一直从事该项目的研究，是该科学论文的主要作者之一。

“膜振荡器是相互作用的媒介，因为激光不会彼此直接交谈，光子不会仅通过振荡器进行相互作用。”

Chen Junxin进一步说：“光子与膜之间的相互作用与波长无关，原则上允许微波与光学纠缠。”

为此，需要进一步的实验工作。特别是膜在接近绝对零度下运行，如今超导量子计算机在该温度下工作。