科学家们把在不同建筑物中产生的不同颜色的光子对联系起来

时间:2019-12-23 18:50 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

科学家们把在不同建筑物中产生的不同颜色的光子对联系起来

一个干涉实验的示意图,两个光子在不同的建筑物中产生,由不同的光源产生,有不同的颜色。来源:美国凯利/ NIST

粒子有时表现得像波,光子(光的粒子)也不例外。正如波会产生干涉图样,就像池塘里的涟漪一样,光子也会产生干涉图样。来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家和他们的同事们已经实现了一项重要的新功能——在来自马里兰大学校园不同建筑的两个颜色迥异的光子之间产生一种奇异的“量子”干涉。

这项实验是未来量子通信和量子计算的重要一步,它可能会做一些经典计算机做不到的事情,比如破解强大的加密代码和模拟复杂新药在体内的行为。两个光子之间的干涉可以连接遥远的量子处理器,从而形成一个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)的光子很重要,因为它模拟了量子计算机的运作方式。例如,可见光光子可以与被捕获的原子、离子或其他系统相互作用,充当计算机内存的量子版本,而长波(近红外)光子可以通过光纤进行长距离的传播。

就像

经典计算机

在复杂的网络计算成为可能之前,NIST需要可靠的方式来传输、存储和处理电子。

在NIST和陆军研究实验室的合作研究中,马里兰大学的物理学家和工程师们在相邻的建筑物中创造了两个不同的独立的光子源。在一座大楼里,一组铷原子被要求发射波长780纳米的单光子,这是可见光光谱的红色末端。在另一栋150米远的大楼里,一个被捕获的钡离子被诱导向光谱的蓝端发射波长为493纳米的光子——比原来短了近40%。

然后,研究人员必须使蓝色光子与红色光子完全匹配。为了做到这一点,联合量子研究所的Alexander Craddock, Trey Porto和Steven Rolston, NIST和马里兰大学的合作伙伴,和他们的同事把蓝色的光子和红外线混合在一个特殊的晶体里。该晶体利用红外光将蓝色光子转换成与另一栋建筑中红色光子相匹配的波长,同时保留了它们的原始属性。直到那时,研究小组才将光子发送到150米外

光纤

在另一座大楼里与几乎相同的红色光子相遇。

光子如此相似,以至于在实验装置中不可能把它们区分开来。单个光子通常是相互独立的。但由于光的特殊量子性质,当两个不可分辨的光子相互干扰时,它们的路径可能会变得相关,或相互依赖。这种量子关联可以作为计算的有力工具。

果然,当单独产生的光子对交叉时,研究人员观察到了这种相关性。这对光子通过一种称为分束器的光学元件,分束器可以将它们发送到两条路径中的一条。单独行动,每个

光子

会做自己的事情,并且有50%的机会通过任何一条路。但是这两个难以分辨的光子像波一样重叠。由于他们奇异的量子干涉,他们呆在一起,总是走同一条路。将这些一度独立的光子连接到臀部,这种干涉效应可能会在量子信息处理过程中执行许多有用的任务。

研究人员将他们的发现发表在最近一期的《在线》杂志上

物理评论快报

.

一个

直接连接

量子计算将会出现

干涉图样

与量子力学中另一种被称为纠缠的奇异性质有关。当两个或两个以上的光子或其他粒子以这样一种方式准备时,这种现象就会发生:一个粒子的特性(例如,动量)的测量自动决定另一个粒子的相同特性,即使粒子相距很远。纠缠是许多量子信息方案的核心,包括量子计算和加密。

在该团队的实验中,这两个光子并没有与产生它们的系统纠缠在一起。但波尔图表示,在未来的研究中,将红色光子与产生它们的铷原子群纠缠在一起应该相对容易。同样地,蓝色光子也会与产生它们的俘获离子纠缠在一起。当两个光子相互干涉时,红色的光子-铷原子与蓝色的光子-离子之间的纠缠转移为铷原子与被俘获离子之间的纠缠。

波尔图指出,正是这种纠缠的转移——这种信息的转移——构成了量子计算机潜在的巨大力量的基础。

更多信息:

物理评论快报

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.213601

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