新型光学器件：实现不同颜色光子的量子纠缠

近日，Lu、Srinivasan 和他们的同事们在《自然物理学（Nature Physics）》期刊上描述了他们的工作。

技术

量子纠缠，是一个更违反直觉的量子力学特性。当两个或者更多的光子或者其他粒子，以一种方式内在地关联在一起，表现如同整体一样时，量子纠缠就产生了。无论两个粒子之间的距离有多远，测量一对纠缠粒子中某一个粒子的量子状态，会自动决定另一个的状态。纠缠是许多量子信息体系的核心，包括量子计算和量子加密。

在许多情况下，两个纠缠的光子具有相同的波长或者颜色。但是，NIST的研究人员们特意打算制造奇特的光子对：两个颜色差别很大的光子之间的纠缠。

Srinivasan 表示：“我们想要将可见光光子和电信光子联系到一起，可见光光子对于在原子级系统中存储信息很有帮助，而电信光子处于近红外光谱，善于通过光纤以较低的信号损失传输。”

为了使光子适合与大多数的量子信息存储系统进行交互，团队也需要特定波长下具有锐利尖峰的光线，而不是具有更宽更分散分布的光线。

为了创造出纠缠的量子对，团队构建出一种特殊定制的光学“回音廊”：一个纳米级的氮化硅谐振器。它能操控光线围绕着微型赛道传播，类似声波围绕着曲面墙壁畅通无阻地传播，例如伦敦圣保罗大教堂的穹顶。在这种所谓的“声学回音廊”曲面结构中，一个人站在墙壁的某个位置，很容易听到从墙壁其他位置传来的微弱声音。

当选定波长的激光被引导到谐振器中时，由可见光与近红外光的光子纠缠而成的光子对就会出现。（实验中出现的这种特殊的纠缠类型，也称为能量时间纠缠，将光子对的能量与光子对产生的时间联系到一起。）

下图所示：通过仔细地设计微米级的环状谐振器，NIST的研究人员们制造出纠缠的光子对，这一对光子的颜色（或者说波长）差别很大。来自泵浦激光（谐振器中的紫色区域）生成每个光子对中处于可见光波长的光子（谐振器中与周围的红色区域）；另外一个光子具有处于电信（近红外）频谱的波长（蓝色区域）。

（图片来源：S. Kelley/NIST）