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单原子陷阱的图片。在超高真空玻璃电池中,单个铷原子被捕获,随后将与光子纠缠。照片:C.Olesinski/LMU
单原子陷阱的图片。在超高真空玻璃电池中,单个铷原子被捕获,随后将与光子纠缠。照片:C.Olesinski/LMU

摘要:
慕尼黑路德维希马克西米利安斯大学(LMU)的物理学家与萨尔大学(Saarland University)的同事一起,成功地证明了原子与光子之间的纠缠态通过光纤传输的距离高达20公里,从而创造了新的记录。

量子物理学:走向量子网络的道路

慕尼黑,德国|发布于2020年1月24日

“纠缠”描述了一种非常特殊的量子态,它不是单独归因于单个粒子,而是在两个不同的粒子之间共享的。它不可撤销地将他们后来的命运联系在一起——不管他们相隔多远——这使得著名的阿尔伯特爱因斯坦将这种现象称为“远处的恐怖行为”。纠缠已经成为基于量子级效应的新技术的基石,并且是远距离分布的量子通信的中心目标。现在,由物理学家哈拉尔德温弗特(Harald weinforter)领导的LMU研究人员与萨尔班萨尔大学(University of the Saarland)的一个研究小组合作,已经表明,原子和光子的纠缠态可以通过光纤(如电信网络中使用的光纤)传输20公里。以前的记录是700米。”这项实验代表了一个里程碑,因为所覆盖的距离证实了量子信息可以大规模分布,而损失很小因此,我们的工作是朝着未来实现量子网络迈出的关键一步。”

量子网络本质上由充当节点的量子存储器(例如,由一个或多个原子组成)和光子(光量子)传播以将节点连接在一起的通信信道组成。在他们的实验中,研究人员将一个铷原子与一个光子纠缠在一起,并且能够检测出纠缠态,在它通过一个20公里长的光纤线圈后,这个纠缠态现在具有两个粒子的量子特性。

实验人员面临的最大问题是铷原子的性质。在目标激发后,这些原子在光谱的近红外区域发射波长为780纳米的光子。”在由玻璃制成的光纤中,这个波长的光被迅速吸收,”Weinferter解释说。因此,传统的电信网络利用1550纳米左右的波长,这大大减少了传输损耗。vwin徳赢官网

显然,这种波长也会提高实验者的成vwin徳赢官网功几率。因此,萨尔布肯小组成员马蒂亚斯·博克(Matthias Bock)建造了一种被称为量子频率转换器的装置,专门用来将发射光子的波长从780纳米增加到1520纳米。这项任务本身就带来了一些极其艰巨的技术挑战。因为必须确保从单光子到另一光子的转换发生,并且在转换过程中纠缠态的其他性质,特别是光子的偏振度,没有改变。否则,纠缠态将丢失。”由于使用了这种高效的转换器,我们能够在电信波长的更长范围内保持纠缠态,因此能够传输它所携带的量子信息。

下一步,研究人员计划将第二个原子发出的光进行频率转换,这将使他们能够在长距离的通信光纤上在两个原子之间产生纠缠。玻璃纤维电缆的性能取决于其暴露的温度和应变等因素。为此,研究小组打算首先在实验室的受控条件下进行这项实验。在成功的情况下,还将进行实地试验,为不断增长的网络增加新的节点。毕竟,即使是长途旅行,一步一个脚印也能完全成功。

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联络:
凯瑟琳·比尔格丽

089-218-06938

版权所有©Ludwig Maximilians Universit M'-nchen(LMU)

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