只需按一下按钮即可安全地传播纠缠
纠缠，即爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”，如今已成为量子信息科学的工具。它是量子计算机的必要资源，用于在未来的量子网络中传输量子信息。但它非常敏感。因此，要“一键按下”就将静止的量子比特（量子位）与以光子形式飞行的量子比特纠缠起来，是一项巨大的挑战。德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所所长 Gerhard Rempe 领导的团队现已成功利用并联原子实现了这一目标。该研究成果于7 月 11 日发表在《科学》杂志上。
原子夹在两面近乎完美的镜子之间。这种设置保证了与光子作为飞行量子比特的可靠相互作用——这是一项由 Gerhard Rempe 首创的技术。利用光镊，该团队能够单独控制多达六个原子，并让每个原子与一个光子纠缠在一起。
通过应用多路复用技术，科学家们可以实现效率几乎 100% 的原子光子纠缠产生，这是在量子网络上分布纠缠的突破性成就。
每当量子信息需要远距离传输时，静止量子比特和飞行量子比特之间的接口就会发挥作用。“其中一个方面是未来量子互联网中量子信息的远距离通信，”Emanuele Distante 解释说，他曾以博士后研究员的身份指导了这项实验，现在是巴塞罗那 ICFO 的研究员。
“第二个方面的目标是在分布式网络中连接许多量子比特，以形成更强大的量子计算机。这两种应用都需要静止量子比特和运动量子比特之间的有效接口。这就是为什么世界各地的许多团体都在热切地研究量子力学光物质接口，”Distante 说。
目前，科学家们正在研究几种不同的技术方法。Gerhard Rempe 和他在加兴的团队多年来一直在研究一种方法，该方法利用被困在两个几乎完美的镜子之间的超冷铷原子作为光学谐振器。他们的重点是未来的量子互联网。
这种方法具有固有的优势，因为它允许被捕获的原子与光子高度有效地相互作用，光子像乒乓球一样在两个镜子之间来回反弹约 20,000 次。
此外，由于两面镜子中一面比另一面稍微透明一些，光子会沿着精确预定的方向离开。这意味着它不会丢失，而是可以可靠地耦合到光纤中。如果使用特定的激光脉冲协议将该光子与原子纠缠，则在光子传播过程中，这种纠缠会一直保持下去。
通过多路复用克服传输损耗
2012 年，加兴团队通过 60 米长的玻璃光纤，利用“光子无线电”成功地将一个谐振器中的一个原子与另一个谐振器中的第二个原子纠缠在一起。借助传输的光子，它们由两个原子组成了一个扩展的纠缠量子物体。然而，光子在途中不能在玻璃光纤中迷失，而这正是长途旅行的问题所在。
至少对于几公里的中等距离来说，解决方案被称为“多路复用”。多路复用是传统信息技术中使用的一种标准方法，可以使传输更加稳定。可以把它想象成一条穿过嘈杂区域的无线电链路：如果你沿着几个并行信道发送无线电信号，那么它通过至少一个信道到达接收器的概率就会增加。
“如果没有多路复用，即使是我们现在的互联网也无法工作，”Distante 解释道。“但将这种方法转移到量子信息系统是一项特殊的挑战。”
多路复用不仅对未来量子互联网中更安全的长距离传输有重要意义，而且对本地量子网络也有重要意义。分布式量子计算机就是一个例子，它由几个较小的处理器组成，这些处理器通过短光纤连接。它的静止量子比特可以通过与飞行量子比特多路复用而更可靠地纠缠在一起，从而形成一台分布式、更强大的量子计算机。
用于处理原子的激光镊子
Garching 团队面临的挑战是将多个原子作为静止量子比特装入谐振器，并单独寻址它们。只有知道原子的位置，它们才能与每个光子并行纠缠，以实现多路复用。因此，该团队开发了一种将光镊插入窄谐振器的技术。
“两个镜子之间仅相距约半毫米，”博士生、《科学》杂志论文第一作者卢卡斯·哈通 (Lukas Hartung) 解释道。
光镊由细小的激光束组成，其强度足以捕获焦点处的原子并将其精确移动到所需位置。使用多达六个这样的光镊，该团队能够在腔内排列相应数量的浮动铷原子，形成一个整齐的量子比特晶格。由于原子可以轻松地在陷阱中停留一分钟——在量子物理学中是永恒的——它们很容易与一个光子纠缠。
“这项技术几乎 100% 有效，”Distante 说道，强调了这项技术的关键优势：纠缠分布几乎“确定性地”工作，即只需按一下按钮即可。
可扩展至更多量子比特
为了实现这一点，该团队使用了一个位于谐振器上方的显微镜物镜，精度达到微米级，以便将光镊的各个光束聚焦到狭窄的镜柜中。光镊光束是通过所谓的声光偏转器产生的，因此可以单独控制。在光学系统中精确调整激光镊子需要很大的灵活性。
“攻克这一挑战是实验成功的基石，”曾作为团队成员帮助开发这项技术、现任苏黎世联邦理工学院研究员的 Stephan Welte 总结道。
目前的实验让我们看到了希望，该方法可以扩展到更多的量子比特而不会造成损失：该团队估计，在这样的谐振器中最多可以控制 200 个原子。由于这些量子比特可以在谐振器中得到很好的控制，这将是一个巨大的进步。而且由于接口甚至可以将 100% 的纠缠光子输入光纤，因此可以建立一个由多个谐振器组成的网络，每个谐振器都有 200 个原子作为静止量子比特。
这将带来一台功能强大的量子计算机。这仍然是未来的梦想。但有了激光镊子，加兴团队现在已经牢牢掌控了这一未来的很大一部分。
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