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用于量子传输的非线性光学元件
材料来源:ACT激光聚汇          

文/Sally Cole Johnson

图1:Bereneice Sephton 正在量子光学实验室中做量子传输实验。

来自南非Wits大学和西班牙光子科学研究所(ICFO)的研究人员,通过非线性光学技术展示了光模式的量子传输。

这一切都源于这样的思考:如果用非线性光学元件取代线性光学元件(见图 2),会发生什么?在量子远距传态(teleportation)的情况下,这意味着不再需要额外的光子。仅用一对纠缠光子,该团队就创造出了一种高维度的量子远距传态方法。

图2:线性光学元件——分光镜的特写,它是量子远距传态的传统工具。

该团队的方法首次证明:图像可以在网络上传输且并不需要物理发送图像,这克服了传统量子线性光学方法的局限性。

在实验演示中,研究人员仅用两个纠缠光子作为量子源,就实现了高达15维度的量子传输,将信息从发送端(Alice)“远距传态”到接收端(Bob)。实现这一传输的秘诀是什么?非线性光学探测器的使用,免去了对更多光子的需求,并适用于任何信息发送模式。最重要的是,他们的方法可以扩展到更高维度,这为高信息容量的量子网络连接打开了大门。

“远距传态是量子网络的核心要求,但是我们从过去远距传输二维量子态的经验中知道,增加维度是非常困难的。”Wits大学物理学院的杰出教授Andrew Forbes(于2015年建立了结构光实验室)说到,“二维传输需要四个计数率非常低的纠缠光子,而且每增加一个维度,都需要增加纠缠光子对——这是不可能的。”

非线性晶体方法是如何工作的?

该团队使用一个标准的非线性晶体作为非线性光学元件,并作为探测器的一部分。两个光子进入非线性晶体并结合,然后通过上转换过程(upconversion process)产生一个新的光子(见图 3)。

图 3:非线性过程使用两个光子输入非线性晶体,然后产生一个输出光子。

 “大多数纠缠态是由非线性晶体的自发参量下转换(SPDC,spontaneous parametric down conversion)过程产生的,即一个光子输入,两个光子输出。”Forbes 说,“但我们的非线性晶体探测器却恰恰相反,它用两个光子输入,产生一个光子输出,所以我们将其称之为反SPDC。事实证明,反SPDC正是实现量子态精确传输所需要的全部条件。”

量子远距离通信是信息安全领域不可或缺的一部分,卫星之间的二维量子通信(量子比特)已经证明了这一点。与传统的通信相比,量子通信似乎足够安全,因为量子通信每次发送的比特可以用 “1”(有信号)和“0”(无信号)来表示。但是,量子光学更进一步,可以增加传输信息的容量,且能够单次传输更复杂的系统,例如指纹或人脸。

是远距传态还是量子传输?

该团队的工作为远距传态或量子传输打开了一扇全新的大门。它克服了传统的基于线性光学传输方法需要更多光子所带来的巨大挑战。

“我们的方法只需要两个纠缠光子,但同样也面临着巨大挑战:要真正实现远距传态,必须大幅提高非线性晶体的效率。”Forbes说,“我们的工作提供了一条令人兴奋的探索道路,有许多悬而未决的问题和挑战,并且能够促进人工材料的非线性效应研究。”

这项工作也让人们看到了什么才是真正的远距传态。Forbes说,“争论的焦点在于,拥有探测器的探测者是否一定不知道、还是不应该知道被传输的量子态。”在我们的方法中,探测者可以知道,但不需要知道。这真的是远距传态吗?我们认为是,但也有人不同意。为了安全起见,我们称之为量子传输。一方可以在不发送信息的情况下将信息传送给另一方。我们认为这对量子网络来说非常酷,也非常有价值。

通过光模式向另一个人/团体(比如银行)发送信息,而无需实际发送信息,这一概念非常令人震惊(见图4)。“假设你想向银行发送一个指纹,而银行向你发送了一个没有携带任何信息的光子,”Forbes解释说,“把这个光子与你的指纹重叠在一起,这些信息就被立即传送到银行。任何拦截银行光子的人都一无所获,因为光子中没有任何信息。这太神奇了,而且只有在量子世界里才有可能实现。”

图 4:量子光学提高信息传输的安全性。

Forbes说,正如所预期的一样,这个实验的成功非常不可思议,虽然这种方法听起来很简单,但却花了数年时间才得以实现。

Forbes和 ICFO 的同事Adam Vallés都对Wits大学的博士后研究员Bereneice Sephton表示赞赏,是她让这个系统开始工作并完成了关键实验。

Bereneice Sephton在实验中有怎样的经历?Sephton说,“这很令人兴奋——我们不得不在实验中途搬迁实验室,所以到最后,我们已经重新改变和重新设计了很多次实验装置。因此,当新的实验系统出成果时,我们充满了成就感。”

对于Sephton来说,感到最酷的事情是什么呢?“最终结果非常好,”她说,“在某些情况下,我们探测到的光子非常接近本底噪声,而信息却能很好地传递了出去! 为了理解如何提高信息容量,我们还将探测到的结果与理论预测进行比较,两者非常吻合,就像终于拼好了所有的拼图。从那时起,向光子前进的相反方向发送信息就真的是反直觉了,而这让我们在原理和实践上都觉得非常有趣。”

“利用目前可用的技术进行概念验证实验,是一次有趣的旅程,我们要感谢Sephton博士的决心和驯服这种实验野兽所需的综合技能。”Vallés说,“这是一项真正的实验室工作成果,她应该受到赞扬。”

“这个实验毫无疑问是我们团队做过的最困难的实验,Bereneic的出色表现让实验得以成功。”Forbes 说,“从概念上讲,这很简单,但实施起来却花了好几年时间。她是我们这个领域一颗冉冉升起的新星,拥有这样的天才真是太棒了。”

提高非线性晶体的效率

未来面临的一项挑战是:非线性晶体的效率必须大幅提高,这样才能被认为是真正的远距传态。Forbes说,“这是个大目标,但非常令人兴奋,因为它吸引了量子学以外的其他领域(如材料学和超表面)的专家为我们的全球量子网络做出贡献。”

下一步,研究人员将瞄准更高维度(目前已经实现了15维度的量子传输)和下行光纤(down optical fiber),“这并不容易,但却值得一做。”Forbes补充道。


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