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科学家将在不同建筑物中产生的不同颜色的光子对关联起来

2019-12-18 10:35:01 • 来源：

粒子有时可以像波一样起作用，光子(光粒子)也不例外。就像波会产生干涉图样(如池塘中的涟漪)一样，光子也是如此。美国国家标准技术研究院(NIST)的物理学家及其同事取得了一项重大新成就-在来自马里兰大学校园内不同建筑物的两种颜色明显不同的光子之间产生了奇异的“量子”干涉。

科学家将在不同建筑物中产生的不同颜色的光子对关联起来

该实验是未来量子通信和量子计算的重要一步，它可以潜在地完成传统计算机无法完成的工作，例如破解强大的加密代码并模拟体内复杂新药的行为。两个光子之间的干扰可以连接遥远的量子处理器，从而实现类似互联网的量子计算机网络。

使用最初具有不同颜色(波长)的光子非常重要，因为它模仿了量子计算机的工作方式。例如，可见光光子可以与捕获的原子，离子或其他充当计算机内存量子版本的系统进行交互，而更长波长(近红外)的光子则可以通过光纤进行长距离传播。

就像经典计算机需要可靠的方法来传输，存储和处理电子一样，在复杂的网络计算成为可能之前，NIST的结果使量子计算信息的交换迈出了接近现实的重要一步。

在他们的研究中，NIST与陆军研究实验室，物理学家和马里兰大学相邻大楼的工程师之间的合作创造了两种不同的独立光子源。在一个建筑物中，提示一组group原子在可见光光谱的红色端发射波长为780纳米的单个光子。在另一座150米外的建筑物中，钡离子被俘获，发射出493纳米波长的光子-短近40%-向光谱的蓝色末端发射。

然后，研究人员不得不将蓝色光子变成红色的光环。为此，NIST与马里兰大学合作建立的联合量子研究所的Alexander Craddock，Trey Porto和Steven Rolston及其同事将蓝色光子与红外光混合在一种特殊的晶体中。晶体利用红外光将蓝色光子隐蔽成与另一座建筑物中的红色光子匹配的波长，同时保留了它们的原始属性。然后团队才将光子通过150米长的光纤发送，以与另一座建筑物中几乎相同的红色光子会合。

光子是如此相似，以至于无法在实验设置中将它们区分开。单个光子通常彼此独立地起作用。但是由于光的特殊量子性质，当两个无法区分的光子相互干扰时，它们的路径可能会相互关联或相互依赖。这种量子相关性可以用作强大的计算工具。

果然，研究人员在成对的独立产生的光子相交时观察到了这种相关性。成对的光子穿过称为分束器的光学组件，该光学组件可以沿两条路径之一发送它们。单独行动，每个光子都会做自己的事情，并且有50-50的机会通过任何一条路径。但是，两个无法区分的光子像波一样重叠。由于它们怪异的量子干扰，他们在一起，总是走在同一条路上。将这些曾经独立的光子连接到臀部，这种干扰效应可能会在处理量子信息时执行许多有用的任务。

研究人员在最近一期的《物理评论快报》上在线报告了他们的发现。

一个直接连接到量子计算，就是把干涉图样是与被称为纠缠量子力学的另一个离奇的财产。当以这样一种方式制备两个或更多个光子或其他粒子时，会发生这种现象：即使一个粒子的特定性质(例如，动量)的测量结果自动确定了另一个粒子的相同性质，即使这些粒子相距很远。纠缠是许多量子信息方案的核心，包括量子计算和加密。

在小组的实验中，两个光子没有与产生它们的系统纠缠在一起。波尔图说，但是在未来的研究中，将红色光子与产生它的the原子团纠缠起来应该相对容易。同样，蓝色光子可能与产生它们的捕获离子纠缠在一起。当两个光子发生干涉时，该连接将转移红色光子-rub原子与蓝色光子离子之间的纠缠，从而变成the原子与捕获的离子之间的纠缠。

波尔图指出，正是这种纠缠的转移(即信息的转移)构成了量子计算机潜在强大功能的基础。

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