研究人员纠缠了两个具有不同频率的独立光子

研究人员首次纠错了两个具有不同频率的独立光子

图1.为了缠绕不同颜色的独立光子,研究人员使用下转换产生两对偏振缠结的光子,标记为(a,a)和(b,b)。每对的频率因40或80 MHz而异。光子A和B进入分束器,导致“低置”的极化和频率状态。两个探测器记录两个光子的到达时间,T1和T2,并且该信息被向前馈送到将时间相关相移到光子A的设备。最后,交换A和BIS的缠结和B.

使用时间解决的测量和主动饲料,中国科学技术大学的研究人员首次纠缠了两个不同颜色的独立光子。

80年前,量子纠缠从新兴的量子力学形式主义中首次出现以来,就一直吸引着科学家和公众的想象力。当两个粒子的状态不能被单独描述时,它们被认为是纠缠的,因此当一个粒子被测量时,允许在一定距离上的反直觉行为。纠缠为某些量子信息技术提供能量,这些技术最终有望超越经典器件。建造量子处理器、模拟器和传感器的先决条件是我们有能力在大量的量子系统(如光子)之间产生纠缠。通常,这种纠缠产生要求光子不可区分。然而,物理评论信中描述的新实验这是第一次使独立产生的具有不同频率或颜色[1]的光子纠缠在一起。这一研究结果对于从不同量子点阵列中纠缠光子可能有用,这些量子点通常会发射出频率略有不同的光子。

光子通常在他们的创作中纠缠在一起。例如,可以通过在非线性晶体中的“下转换”单泵光子生成一对相同的光子。不幸的是,这个过程效率低下,因为下转换具有低概率。一种替代方案是缠绕来自不同来源的光子。这可以通过将两个光子发送到分束器中来完成并利用两光子干扰的量子现象:如果分束器后面的观察者不能告诉每个单独的光子的路径,它们的概率结果可以加起来或抵消,将这些光子留在缠绕状态下通过不同端口离开分束器。这一效果一直是数十年的量子光子界的主力[2]。

为了实现完美的干扰,当最终测量时,所涉及的光子必须无法区分。然而,与常见的直觉相反,当它们击中分束器时,它们并不一定必须无法区分;它们可能具有非常不同的特性 - 不同的颜色,极化,空间模式等。 - 但是如果我们的探测器对这些属性不敏感,或者如果在检测前的“擦除”,我们仍然可以恢复干扰。来自中国科技大学的赵明和同事于合肥已经开发出巧妙的方法来擦除频率信息,从而从不同颜色和不同颜色的光子通过它们的干扰缠结[1]。

他们的想法的核心如下:将具有略微不同频率的两个偏振编码的光子送入偏振分束器。如果光子难以区分,则输出将被缠结(假设光子从不同的端口留下)。但赵等人的光子。当然可以通过它们的颜色来区分。结果,光束分离器不会以清洁的偏振缠结状态输出光子,而是有时被称为“低置”状态[3],其中偏振和颜色彼此本质上连接。如果尝试独立地测量颜色或偏振,则剩余状态将最终混合,即,不缠绕。然而,人们可以尝试仔细梳理1度自由,并在另一个程度上保持纠缠。

我和我的同事[3]曾经在一个非常类似的场景中应用过这种技术,涉及颜色和偏振。在前面的例子中,我们把我们的次纠缠态施加到一个联合偏振投影,并且输出是一个离散的色纠缠双光子态。在这里,相反,赵等人擦掉颜色信息,留下最终状态纠缠在偏振中。他们通过在分束器的输出处进行高分辨率的时间测量来做到这一点。时间与频率有关,进入状态的频率信息也可以解释为时间信息。如果我们不加区别地把分束器后面的两个光子的到达时间平均下来,剩下的状态就会混合。然而,作者证明了选择一个特定的定时组合可以使剩余的状态保持完整,并且确实在偏振中纠缠。研究人员的计时协议有效地消除了光子的频率区分信息,并允许它们创建一个最终状态,纠缠到一个可以修正的时间依赖相位因子。

一个问题是频率橡皮擦测量光子,因此它们不再可用于评估其极化纠缠。为了解决这个问题,研究人员包括一个纠缠交换协议[4],将缠结转移到其他两个光子,这可以随后进行评估。具体地,它们的实验从两个泵浦梁的下转换开始,每个泵浦梁各自产生一对具有波长约795纳米的偏振缠结的光子(参见图1)。第一对,标记A和A,与第二对,标记的B和B的不同之处在于40或80兆赫(MHz)的频率,这是光子线宽的8至16倍。该团队将光子A和B发送到分束器中,以产生极化和频率的低通心状态。频率区分信息被分束器的远侧的两个光子探测器擦除。光子到达时间,T1和T2被转发到光学元件,光学元件将时间相关的相移到光子A.结果,如验证的高保真转移A和B之间的偏振缠结,如验证作者的A和B的极化测量。

结果可能对从诸如量子点等复杂的光子源构建可扩展设备的努力感兴趣。量子点可以确定地确定光子,但它们确实受到缺点,即不能完全相同地创建点的缺点,因此产生具有略微不同的光谱特性的光子。确实可以使用时间量子擦除来产生从不同量子点发射的大规模缠结的光子的大规模缠结簇非常令人兴奋。

然而,从这里出发,随着目前的计划在其变得可行之前,目前的计划将面临许多挑战。主要问题是它是否能够以至少1/2的效率缠结光子 - 光子架构的可扩展性所需的拇指规则阈值。另一个问题是光子探测器的有限时间分辨率约束可以在时间分辨的双光子干扰测量中擦除的最大光谱分离。对于最佳可用的传统光子探测器,允许的光谱分离是在MHz的顺序上。因此,人们需要量子点,其在彼此的几MHz中发射光子。当前的点制造开始达到这种精度水平,但工程师可以通过外部调谐,通过温度或电场控制来清除源之间的剩余无区别[5]。这里的研究可能是一个更有趣的场地是它的基本角度,特别是在检测中施加更复杂的时间滤波器的可能性,这可能对量子州工程有用。

图片:APS / ALAN StoneBraker

参考文献

  1. Zhao Tian-Ming, Han Zhang, Jian Yang, Zi-Ru Sang, Xiao- Jiang, Xiao- hui Bao, Jian- wei Pan, " non - color entangled光子by Time-Resolved Measurement and Active馈入,"物理。rev. lett。112.,103602(2014)
  2. C. K. Hong,Z. Y.U和L. MEDEL,“通过干扰测量两种光子之间的亚倍二十秒钟时间间隔”物理。rev. lett。59,2044(1987年)
  3. S. ramelow,L. Ratschbacher,A. Fedrizzi,N.K. Langford,以及A. Zeinger,“离散调节色彩纠缠”,物理。rev. lett。103,253601(2009)
  4. C.H.Bennett,G. Brassard,C.Crépeau,R.Jozsa,A. Peres和W.K. Wootters,“通过双重古典和爱因斯坦 - Podolsky-Rosen频道传送一个未知量子状​​态”,“物理。rev. lett。70,1895(1993)
  5. 王志明,“电子可调远端量子点的双光子干扰”,《电子可调远端量子点的双光子干扰》,自然光子。4.632 (2010)

是第一个评论关于“研究人员使两个不同频率的独立光子纠缠在一起”

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