我中心成功实现不同颜色独立光子间的量子纠缠

2014-03-21

中国科学技术大学潘建伟教授及同事包小辉、江晓等在国际上首次实现了不同颜色独立光子间的量子纠缠,解决了量子网络中如何在不同频率终端间进行纠缠连接这一难题。该工作于近日以编辑推荐论文(Editors' Suggestion)的形式发表在国际权威物理学杂志《物理评论快报》上,美国物理学会《物理•观点》栏目(Physics: Viewpoint)也对该成果进行了专题报道。

量子纠缠是量子信息科学中的重要资源。以往实验上有很多方法可产生纠缠光子,如利用非线性晶体内的参量下转化过程、原子体系内的四波混频过程等。不过通过这些方法只能局域地产生光子间的量子纠缠。然而在量子网络等应用中需要将来自不同光源的独立光子纠缠起来,进而实现多个终端间的纠缠连接。

目前双光子干涉是实现独立光子间量子纠缠的最主要方法。不过双光子干涉对入射光子有着非常严格的要求,即只有当两个光子具有同样的颜色(频率)时,才可以通过双光子干涉来产生量子纠缠。然而在量子网络中很多原因会导致不同终端发射的单光子具有不同的颜色,比如在量子点等人工物理体系中,每个量子点所处的环境因具有微小差别就会导致不同量子点的发光频率具有较大的差异。此外,即使原本频率一致的单光子也会由于平台(星载或机载终端等)的高速运动导致其频率发生移动。因此,如何在不同频率的独立光子间建立量子纠缠成为了可升级量子网络进一步发展所急需解决的关键问题之一。

潘建伟小组在此研究工作中首次提出可采用时间分辨测量与主动相位反馈相结合的方法来实现不同频率光子间的量子纠缠,并利用该小组近年来发展的窄带量子光源平台对此理论方案进行了实验演示。他们通过研究发现,入射光子间的频率差异会导致不同时间探测到的光子对具有不同的随机相位,进而导致两个单光子无法纠缠起来。为此,他们发展一套高精度的时间分辨探测系统及高速相位反馈系统。时间分辨探测系统主要用于实现对光子到达时间的精确测量,进而对随机相位涨落进行跟踪测量;高速相位反馈系统主要用于实现对纠缠光子态的内部随机相位进行反馈控制。

通过采取这些技术手段,潘建伟小组成功地实现了将频率相差为80MHz的两个独立光子纠缠起来,该频率差别超过了每个入射光子各自频率宽度的16倍之多。这一研究成果将在未来可升级量子网络中有重要应用,可用于解决不同量子点间、不同NV色心间、以及不同物理体系间等因具有不同的跃迁频率而难以进行纠缠连接的困难。

上述研究得到了中国科学院、教育部、基金委、科技部重大研究计划,以及中组部“青年千人”等项目的支持。

论文链接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.103602

美国物理学会《物理•观点》报道链接:http://physics.aps.org/articles/v7/25