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「墨子沙龙」让纠缠停一会儿

文章作者:www.njwxtv.com发布时间:2020-02-28浏览次数:659

纠缠,这个我们不再不熟悉的词,自从小莫把我们带到一起研究量子科学并纠缠这个神奇的概念以来,已经被提到无数次了。爱因斯坦曾称之为“远距离鬼魂的相互作用”。到目前为止,没有人不对此感到困惑。因此,它被许多人称为“量子幽灵”。

当然,今天的科学家被这个百年老鬼深深吸引,但是他们对其本质的不完全理解并不妨碍科学家在各种场合使用它。纠缠,作为量子技术中的一个关键资源,长期以来一直在许多阶段发挥作用。

我们常说量子密码的核心是量子密钥分配。量子密钥传输和经典通信之间最显着的区别是无条件安全性。量子力学之所以能从根本上改变密码学的面貌,是因为量子密码术的非克隆原理。任何想偷钥匙的人都必须进行相应的测量。根据非克隆原理,这种测量行为肯定会改变原系统的量子态,从而暴露自己。

然而,量子态的这一独特优势伴随着一些相应的缺点。让我们以单光子为例。对于量子密钥来说,这的确是一个不错的选择。事实上,它已经在光纤和自由空间的量子通信实验中得到了很好的证明。然而,单光子的“单一”字也是它的弱点。

你为什么需要量子中继?

我们知道在经典通信中,无论是光纤传输还是自由空间传输,都必须考虑“损耗”问题。克服损耗的一种方法是使用中继站在中间放大信号。这样,在长途丢失之后,仍然有很多信号灯。其次,它还可以确保信号相对于背景噪声是相对重要的。

General Steps of Quantum Relay

Source | Reviews of Modern Physics,2011,83 (1) :33

但这种做法在量子通信中并不太可行。因为光纤的损耗随距离成指数增加,对于单光子,如果距离稍长,终端的比特率可能太低而看不见。我们可以做一个估计,假设损耗系数是每公里0.2分贝,10公里传输的信号有63%是剩余的,1千公里是1× 10-20。即使我们使用10千兆赫的频率发射光子,接收端接收光子也需要数百年的时间。

你知道,因为量子不能复制,所以发射端的光子强度不能像经典通信那样被中间的中继站任意放大。

如果是演示实验,可以通过短距离量子密钥分发来完成。然而,如果量子通信要在实践中应用,这个损耗问题必须解决。为了解决这个问题,科学家在1998年提出了“量子中继”的概念。

General Steps of Quantum Relay

Source | Nature,2008,453 (7198)

简而言之,量子中继就是将长距离分成小距离。由于长距离的指数损失太惊人了,有必要通过这种分裂方法将纠缠连接成小的片段。这样,指数信号衰减变成多项式级,编码率将大大提高。

然后你可能会问,分段传输会有如此神奇的效果吗?它被分成几个部分,距离有多长或者有多长?

是的,简单的分割没有这样的效果。量子中继之所以能做到这一点,需要一个量子存储的关键操作。

让我们去约会吧。

我们知道光子是一个非常精力充沛的孩子,他不愿意停下来片刻,总是以光速奔跑。这导致了这样一个事实,即当片段之间的纠缠被连接时(纠缠交换),两边的光子可能不能准确地彼此接触。就像一对小情侣约会一样,如果约会时间相对随机,一方会出现,如果没人看,他们就会离开,而当另一方出现时,就没人能找到了。毕竟,两个人同时到达的可能性太小了。我该怎么办?只有第一个人可以等一会儿,以便有更好的成功机会。

同样,量子中继的关键操作是暂时停止纠缠光子,让喜欢运行的光子运行。换句话说,当纠缠光子到达时,它们首先存储在内存中,然后在需要时取出。这样,光子可以被浪费为m

实现量子存储的方案可以说是百花齐放。固体和气体系统已经得到很好的证明。它们在保真度、存储时间、存储带宽和读出效率方面各有优缺点。一般来说,首先产生一对纠缠光子,然后分别发送到两个部分,“写入”两端的存储器,并在必要时“读出”。毕竟,经典存储大致是同样的过程。

2001年,段等人提出了着名的DLCZ协议(段-卢金-西拉克-佐勒协议),省略了光子“写入”的过程。这种方法大大提高了效率。

不写,也叫存储?这是什么原因?

准确地说,这种方法结合了“在第一步中产生的纠缠光子”和“在第二步中写入的光子”。

你是怎么做到的?我们知道原子有许多能级,吸收光子,原子可能被激发到高能级,而从高能级到低能级,光子也会被发射出来。由于量子力学的一些定律,吸收和发射的光子与原子本身有某种联系,即纠缠。正是由于这个原因,科学家在准备纠缠态的同时,也将一些“态”写入原子。

科学家们首先将处于G态的原子激发到E态,而处于E态的一些原子将辐射出光子并跃迁到S态。辐射的光子叫做斯托克斯光子。我们可以看到,如果产生了斯托克斯光子,这意味着原子处于S态。相反,如果没有产生斯托克斯光子,没有原子处于S态,在光子和原子之间形成纠缠“福克”态(粒子数态)。这样,产生了一对纠缠光子,其中一个储存在原子中。

读出过程与上述过程相反,后者将处于S状态的原子激发到E状态,然后回到G状态,释放出一个反斯托克斯光子。当然,如果S态本身没有原子,它自然不会发射光子。

此外,它需要一个连接小片段和小片段的过程,科学家称之为纠缠交换。这样,量子中继就可以在理论上实现。

该方法利用量子存储自身产生纠缠资源,可以大大提高效率,为量子中继的发展提供了一个新的思路。

改进的DLCZ方案

虽然原始的DLCZ方案很有创意,但它也有一些缺点。例如,单光子干涉对相位的稳定性提出了很高的要求。因为在光子传播的过程中,真空状态的一部分(没有光子)不会积累相位,而有光子的一部分将积累路径的相位。一旦路径的相位有一点抖动,产生的纠缠就变得不可预测。此外,纠缠过程会引入一些高阶项,产生不必要的噪声。

结果,一些改进的方法诞生了。其中,中国科技大学的科学家发明了一种双光子干涉方案,这是一种非常好的方法。在这个方案中,一个额外的孪晶被添加到原始链路,并且它们形成两组并行的量子存储设备。两组装置产生的光子可能具有不同的偏振态。新方案将DLCZ方案中的“Fock”态的纠缠转化为偏振态的纠缠,因为光子的两个偏振分量所积累的路径相位通常是相同的,这将自然抵消并且不会改变纠缠的形式。在产生两组纠缠后,执行Berchi测量以连接两侧节点的量子位。然而,通过采用与该Berchi测量相对应的设置,片段之间的纠缠交换可以有效地消除高阶项并尽可能地离开最大纠缠态。

最近,这种双光子干涉方案第一次在长距离上得到证明。两组链接的节点位于合肥科技大学校园内。这两个节点产生的光子通过光纤传输到11公里外的合肥软件园,在那里进行贝里席测量。通过这种方式,纠缠存储可以在22千米的范围内实现。此外,他们还在50公里范围内实施了单光子干涉计划。

本文设备图

Source |arXiv:1903.

实验表明,单光子干涉和双光子干涉这两种长距离光子传输纠缠方法都适用于量子存储,各有优缺点。例如,在单光子干涉方案中,纠缠的概率要高得多,因为它只需要检测穿过整个链路的一半光子。相反,双光子干涉方案需要检测穿过整个链路的两个光子。然而,另一方面,对于远离的节点的扩展,双光子干涉方案要求简单,只要求光子不可区分,并且不要求高相位。

在实验中,一个称为量子链路效率的指标,作为衡量存储寿命的重要参数,无疑成为检验实验方案质量的关键。在我们目前的工作中,由于原子运动引起的退相干,存储寿命约为70μs,比纠缠发生的时间短得多。然而,团队在这方面已经积累了很长时间。2016年,该团队使用了一些关键的实验技术,如利用三维光学晶格限制原子运动、基于偏置磁场的差分光学频移补偿、基于大失谐参考光的腔长锁定等。极大地抑制了原子运动引起的退相干,最终成功实现了存储寿命为0.22秒、读出效率为76%的高性能量子存储器。因此,将来可能会考虑这些技术,以将存储寿命提高到满足远程量子中继的实际要求的水平。

为了进一步提高量子链路效率,必须提高纠缠产生率。幸运的是,以前的许多作品都显示出乐观的前景。例如,复用原子-光子纠缠可以通过复用技术来制备,耦合效率可以通过将波长转换到电信的C波段来优化,并且一系列技术将被用于进一步提高纠缠率。

这个实验中的长距离纠缠只是未来量子网络的一个功能单元。未来,科学家还将把它扩展到具有更多节点和更多记忆的长距离量子网络。到那时,量子中继在长距离传输中的优势将会很好地向世界展示。

关于“墨子沙龙”

墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办,上海浦东新区科学技术协会和中国科技大学新校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普目标是那些对科学有浓厚兴趣并热爱科普的普通人,他们试图建立一个具有高中生学术能力的科普论坛,以了解世界上最前沿的科学信息。