纠缠离子创下长距离记录——物理世界

使用光和光纤将信息从 A 点发送到 B 点是当今的标准做法，但如果我们可以完全跳过“发送和携带”步骤并简单地即时读取信息呢？ 多亏了量子纠缠，这个想法不再是虚构的作品，而是一个正在进行的研究课题。 通过将两个量子粒子（如离子）纠缠在一起，科学家们可以将它们置于一种脆弱的联合状态，在这种状态下，测量一个粒子可以以经典方式不可能的方式提供关于另一个粒子的信息。

奥地利因斯布鲁克大学的研究人员现在对捕获在相距 230 米（相当于大约两个足球场）并通过 520 米长的光纤连接的光腔中的两个钙离子执行了这种棘手的纠缠过程。 这种分离是捕获离子的记录，并在基于这些量子粒子的量子通信和计算系统中树立了里程碑。

迈向量子网络

量子网络是量子通信系统的支柱。 它们的吸引力之一在于，它们可以通过前所未有的计算能力和安全性将世界联系起来，同时为从计量学到导航的各种应用增强精确感测和时间测量。 这样的量子网络将由通过光子交换连接的量子计算机——节点——组成。 这种交换可以在自由空间中进行，类似于光从太阳穿过太空到达我们眼睛的方式。 或者，光子可以通过光纤传输，类似于用于传输互联网、电视和电话服务数据的光纤。

基于俘获离子的量子计算机为量子网络和量子通信提供了一个有前途的平台，原因有二。 一是它们的量子态相对容易控制。 另一个是这些状态对可能破坏节点之间和节点处携带的信息的外部扰动具有鲁棒性。

捕获的钙离子

在最新的工作中，由 特雷西·诺萨普 和 本兰永 在因斯布鲁克，钙离子被困在保罗陷阱中——一种电场结构，对离子产生力，将其限制在陷阱的中心。 钙离子之所以吸引人，是因为它们具有简单的电子结构并且抗噪声能力强。 “它们与量子网络所需的技术兼容； 它们也很容易被捕获和冷却，因此适合可扩展的量子网络，”解释道 玛丽亚加利，因斯布鲁克的一名博士生参与了这项工作，该工作在 “物理评论快报”.

研究人员首先在两个独立的光腔中分别放置一个捕获的离子。 这些空腔是一对镜子之间的空间，可以精确控制和调整在它们之间反射的光的频率（见上图）。 这种严格的控制对于连接或纠缠离子信息与光子信息至关重要。

在两个空腔（网络的节点）中的每一个处纠缠离子-光子系统后，研究人员进行了测量以表征纠缠系统。 虽然测量破坏了纠缠，但研究人员不得不多次重复这个过程来优化这个步骤。 每个光子都与其中一个钙离子纠缠在一起，然后通过连接位于不同建筑物中的两个节点的光纤传输。

交换信息

虽然研究人员本可以在自由空间中转移光子，但这样做可能会因多个噪声源而破坏离子-光子纠缠。 相比之下，光纤损耗低，它们还屏蔽光子并保持其偏振，从而允许节点之间的距离更长。 然而，它们并不理想。 “我们确实观察到了极化的一些漂移。 出于这个原因，我们每 20 分钟就会描述光纤的偏振旋转并对其进行校正。” 加利说。

这两个光子通过称为光子贝尔状态测量 (PBSM) 的过程交换各自离子-光子系统的信息。 在这种状态选择性检测技术中，光子的波函数重叠，形成可以用四个光电探测器测量的干涉图案。

通过读取光电探测器上的测量信号，研究人员可以判断光子携带的信息——它们的偏振态——是否相同。 匹配的成对结果（水平或垂直极化状态）因此预示着远程离子之间纠缠的产生。

成功纠缠的权衡

研究人员必须平衡几个因素才能在离子之间产生纠缠。 一个是他们对光子进行最终联合测量的时间窗口。 这个时间窗口越长，研究人员探测到光子的机会就越大——但代价是离子的纠缠度降低了。 这是因为它们的目标是捕获同时到达的光子，而允许更长的时间窗口可能会导致它们检测到实际上在不同时间到达的光子。

三节点量子网络首次亮相

因此，研究人员需要仔细检查他们在给定时间窗口内设法实现了多少纠缠。 在 1 微秒的时间窗口内，他们重复了超过 13 万次实验，产生了 555 个检测事件。 然后他们独立测量每个节点处的离子状态以检查相关性，相关性为 88%。 “我们最后的测量步骤实际上是测量两种离子的状态，以验证是否存在预期的状态相关性，”Galli 说。 “这证实我们已经成功地在两个离子之间产生了纠缠。”

从短跑到马拉松

两个足球场似乎是一个很远的距离，要在其上产生不稳定的量子纠缠态，但因斯布鲁克团队有更大的计划。 通过做出改变，例如增加用于在离子之间传输信息的光子的波长，研究人员希望能够覆盖更远的 50 公里距离——比一场马拉松还要长。

虽然其他研究小组之前已经证明使用中性原子可以实现更远距离的纠缠，但基于离子的平台具有某些优势。 Galli 指出，用俘获离子执行的量子门的保真度要好于用原子执行的量子门，这主要是因为离子之间的相互作用比原子之间的相互作用更强、更稳定，而且离子的相干时间要长得多。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/