目前正在開發(fā)的一些最先進的通信系統(tǒng)依賴于量子科學(xué)的特性來存儲和傳輸信息。然而，設(shè)計依賴于光而不是電流來傳輸信息的量子通信系統(tǒng)的研究人員面臨著困境：存儲和處理量子信息的光學(xué)組件通常需要可見光光子(光粒子)來操作。然而，只有近紅外光子 - 波長大約10倍 - 才能在數(shù)公里的光纖上傳輸這些信息。

現(xiàn)在，美國國家標(biāo)準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種解決這一問題的新方法。該團隊首次使用可以批量生產(chǎn)的基于芯片的光學(xué)元件創(chuàng)建了由一個可見光和一個近紅外光子組成的量子相關(guān)對。這些光子對結(jié)合了兩者的優(yōu)點：可見光伙伴可以與被捕獲的原子，離子或其他系統(tǒng)相互作用，這些系統(tǒng)充當(dāng)計算機存儲器的量子版本，而每對的近紅外成員可以自由地長距離傳播通過光纖。

該成就有望提高基于光的電路將信息安全地傳輸?shù)竭b遠位置的能力。美國國家標(biāo)準與技術(shù)研究院的研究人員Xiyuan Lu，Kartik Srinivasan和他們在大學(xué)公園的馬里蘭大學(xué)納米中心的同事，使用一對特定的可見光和近紅外光子證明了量子相關(guān)，稱為糾纏。然而，研究人員的設(shè)計方法可以很容易地應(yīng)用于創(chuàng)建許多其他可見光/近紅外線對，以匹配特定的感興趣的系統(tǒng)。而且，產(chǎn)生纏結(jié)的微型光學(xué)元件大量制造。

Lu，Srinivasan和他們的同事最近描述了他們在自然物理學(xué)方面的工作。

量子力學(xué)的一個更具有違反直覺的特性，量子糾纏發(fā)生在兩個或多個光子或其他粒子的制備方式使得它們?nèi)绱藘?nèi)在地連接以使它們表現(xiàn)為一個單元時。確定一個糾纏粒子的量子態(tài)的測量自動確定另一個的狀態(tài)，即使這兩個粒子位于宇宙的相對側(cè)。糾纏是許多量子信息方案的核心，包括量子計算和加密。

在許多情況下，纏繞的兩個光子具有相似的波長或顏色。但美國國家標(biāo)準與技術(shù)研究院的研究人員故意開始創(chuàng)造奇怪的情侶 - 顏色非常不同的光子之間的糾纏。

Srinivasan說：“我們希望將可見光光子連接在一起，這些光子有利于在原子系統(tǒng)中存儲信息，而電信光子則處于近紅外線狀態(tài)，能夠通過低信號損耗的光纖傳輸。”

為了使光子適合與大多數(shù)量子信息存儲系統(tǒng)進行交互，該團隊還要求光在特定波長處達到尖峰，而不是具有更寬，更擴散的分布。

為了創(chuàng)造糾纏對，該團隊構(gòu)建了一個專門定制的光學(xué)“耳語廊” - 一個納米尺寸的氮化硅諧振器，將光線引導(dǎo)到一個小小的賽道上，類似于聲波在彎曲的墻壁(如圓頂)周圍暢通無阻地傳播的方式在倫敦的圣保羅大教堂。在這種被稱為聲學(xué)耳語廊的彎曲結(jié)構(gòu)中，站在墻壁一部分附近的人容易聽到源自墻壁任何其他部分的微弱聲音。

當(dāng)選定波長的激光被引導(dǎo)到諧振器中時，出現(xiàn)了纏繞的可見光和近紅外光子對。(實驗中使用的特定糾纏類型，稱為時間 - 能量糾纏，將光子對的能量與它們產(chǎn)生的時間聯(lián)系起來。)

“我們想出了如何設(shè)計這些低語畫廊諧振器，以產(chǎn)生大量的我們想要的對，背景噪音很小，其他外來光線很少，”盧說。研究人員證實，即使在電信光子穿過數(shù)公里的光纖之后，糾纏仍然存在。

將來，通過將兩個糾纏對與兩個量子存儲器組合，光子對中固有的糾纏可以轉(zhuǎn)移到量子存儲器。這種被稱為糾纏交換的技術(shù)允許存儲器在比通常可能的更長的距離上彼此纏繞。

“我們的貢獻是弄清楚如何制造出能夠?qū)崿F(xiàn)這種長距離糾纏的合適屬性的量子光源，”Srinivasan說。