研究人员成功开发出可产生两束纠缠光束的光源

科学家们越来越多地寻求发现更多关于量子纠缠的信息，当两个或多个系统被创建或相互作用时，某些系统的量子态无法独立于其他系统的量子态来描述，就会发生这种情况。这些系统是相关的，即使它们相距很远。对研究这种现象的兴趣是由于其在加密、通信和量子计算方面的巨大应用潜力。困难在于，当系统与周围环境相互作用时，它们几乎会立即解开。

在巴西圣保罗大学物理研究所 (IF-USP) 的原子和光相干操纵实验室 (LMCAL) 的最新研究中，研究人员成功开发了一种产生两束纠缠光束的光源。有关该研究的一篇文章 发表 在 《物理评论快报》上。

“这个光源是一个光学参量振荡器，或 OPO，它通常由两个反射镜之间的非线性光学响应晶体组成，形成一个光学腔。当明亮的绿色光束照射在设备上时，晶体镜动力学会产生两束具有量子相关性的光束，” 该文章的最后一位作者、物理学家汉斯·马林·弗洛雷斯 (Hans Marin Florez ) 说。

问题在于基于晶体的 OPO 发出的光无法与量子信息背景下的其他感兴趣的系统相互作用，例如冷原子、离子或芯片，因为它的波长与相关系统的波长不同。“我们小组在之前的工作中表明，原子本身可以代替晶体用作介质。因此，我们生产了第一个基于铷原子的 OPO，其中两束光具有强烈的量子相关性，并获得了一个可以与其他系统相互作用的源，具有作为量子存储器的潜力，例如冷原子，”Florez 说。

然而，这不足以表明光束发生了纠缠。除了强度之外，与光波同步有关的光束相位也需要显示量子相关性。“这正是我们在《 物理评论快报》报道的新研究中取得的成果，“ 他说。“我们重复了同样的实验，但增加了新的检测步骤，使我们能够测量所产生场的振幅和相位的量子相关性。结果，我们能够证明他们纠缠在一起。此外，检测技术使我们能够观察到纠缠结构比通常描述的更丰富。我们实际生产的不是两个相邻的光谱带纠缠在一起，而是一个包含四个纠缠光谱带的系统。”

在这种情况下，波的振幅和相位纠缠在一起。这是许多处理和传输量子编码信息的协议的基础。除了这些可能的应用之外，这种光源还可以用于计量学。“强度的量子相关性导致强度波动显着减少，这可以提高光学传感器的灵敏度，”Florez 说。“想象一个派对，每个人都在说话，而你听不到房间另一边的人的声音。如果噪音足够小，如果每个人都停止说话，你可以从很远的地方听到有人在说什么。”

他补充说，提高用于测量人脑发出的α波的原子磁力计的灵敏度是潜在的应用之一。

这项研究得到了 FAPESP 通过 IF-USP 教授 Marcelo Martinelli协调的主题项目的支持，Florez 获得了一项 博士后奖学金 ，两项博士奖学金获得了—— 一项 授予文章的第一作者 Álvaro Montaña Gerreiro ， 另一项 授予 Raul Leonardo Rincon Celis。

该文章还指出了铷 OPO 相对于晶体 OPO 的额外优势。“晶体 OPO 必须有镜子，使光在腔内保持更长时间，以便相互作用产生量子相关光束，而使用原子介质，在其中产生两束光束比晶体更有效，避免了对镜子的需要将光囚禁这么长时间，”弗洛雷斯说。

在他的团队进行这项研究之前，其他团队曾尝试用原子制造 OPO，但未能证明产生的光束中的量子相关性。新实验表明，系统中没有内在限制来防止这种情况发生。“我们发现原子的温度是观察量子相关性的关键。显然，其他研究使用了更高的温度，使研究人员无法观察到相关性，”他说。