光子纠缠

中国科技网讯 据物理学家组织网7月26日（北京时间）报道，量子物理学似乎一直涉及的是一些无限小的事物。而多年以来，瑞士日内瓦大学的研究人员一直试图在更大规模甚至宏观层面上观察到量子物理的性质。最近该研究团队成功让两根填充了500个光子的光纤发生纠缠，不同于以往只有1个光子的光纤纠缠实验，向实现宏观层面的量子纠缠迈出了重要一步。相关研究成果发表在最新一期的《自然·物理学》上。 30年以来，物理学家已经能够使光子对发生纠缠。不管两个光子之间存在的距离和障碍如何，第一个光子的动作会在瞬间冲击第二个光子。这种状况发生时，好像是一个单光子存在于两个不同的地方。 似乎可以直观地认为，应用于原子水平上的物理规则也可转移到宏观世界当中。然而，试图证明这一点并不容易。事实上，当一个量子系统大小增加，其与周围环境就会进行越来越多的互动，而这样却会迅速破坏其量子特性，这种现象被称为量子消相干。 尽管有这些限制，在技术的不断进步下，该研究团队一直在努力寻求突破。2011年1月，他们设法实现了晶体纠缠，从而超越了原子的维度。现在，该大学理学院教授尼古拉斯率领的团队成功使两个填充了500个光子的光纤发生纠缠。 为了做到这一点，他们先在微观层面上创建两个光纤之间的纠缠，然后将其移到宏观层面。这种微观量子纠缠态的生存过渡到更大规模世界的现象，甚至可以用传统的检测手段，即肉眼观察得到。而为了验证在宏观世界的纠缠存活，他们可以将其重新转换回微观水平。 尼古拉斯说：“这次大规模实验为许多量子物理学的应用铺平了道路。在宏观层面的纠缠是该领域的主要研究方向之一，我们希望在未来几年可以实现大型对象间发生的纠缠。”（记者 华凌） 总编辑圈点 尽管量子学还是“上帝跟宇宙玩掷骰子”，但物理学家们早已证实神秘现象不仅仅局限于极度微观领域中。好比本文中的量子纠缠，其实不像人们通常以为的那么“脆弱”，还曾在全固体材料中实现过，它最终走入到电子设备中是迟早的事。目前这一成果，在将来能为研制适用于量子通信的全光纤纠缠光源和单光子源带来益处，对于量子密钥的分发系统也起到重要作用。

科技日报多伦多6月6日电 （记者冯卫东）加拿大物理学家们首次利用量子力学克服了测量科学中的一个重大挑战。新开发的多探测器方法可测量出纠缠态的光子，实验装置使用光纤带收集光子并将其发送到由11个探测器组成的阵列。此项研究为使用量子纠缠态开发下一代超精密测量技术铺平了道路。 研究报告主要作者之一、多伦多大学物理系量子光学研究小组博士生罗泽马·李称，新技术能利用光子以经典物理学无法达到的精度进行测量。此项研究成果在线发表在《物理评论快报》上。 现存最灵敏的测量技术，从超精确原子钟到世界上最大的望远镜，均依赖于检测波之间的干涉，这种干涉发生于两个或更多个光束在相同空间的碰撞。罗泽马及其同事使用的量子纠缠态包含N个光子，它们在干涉仪中均被保证采取同样的路径，即N个光子要么全部采取左手路径，要么全部采用右手路径。 干涉效应可用干涉仪进行测量。干涉装置的测量精度可通过发送更多的光子加以改善。当使用经典光束时，光子数目（光的强度）增加100倍，干涉仪的测量精度可提高10倍，但是，如果将光子预先设置在一个量子纠缠态，干涉仪在同等条件下的测量精度则同步增长100倍。 科学界虽已了解到测量精度可通过使用纠缠光子加以改善，但随着纠缠光子数的上升，所有的光子同时到达相同检测器的可能性微乎其微，因此该技术在实践中几无用处。罗泽马及其同事于是开发出一种使用多个探测器来测量纠缠态光子的新方法。他们设计了一种使用“光纤带”的实验装置，用以收集光子并将其发送到11个单光子探测器组成的阵列。 这使研究人员能够捕捉到几乎所有最初发送的多光子。罗泽马称，同时将单光子以及两个、三个和四个纠缠光子送入检测设备，测量精度可得到显著提高。 研究人员表示，两个光子好于一个光子，探测器阵列的效果则远远好于两个。随着技术的进步，采用高效探测器阵列和按需纠缠的光子源，此项技术可被用于以更高精度测量更多的光子。《物理评论快报》的评论指出，该项技术为提高成像和光刻系统的精度提供了一种行之有效的新途径。 总编辑圈点 光子纠缠态，早已经不再拘束于当初爱因斯坦等人提出的玄妙理论，而被应用到如量子光刻、量子图像学等技术领域。也正是这些应用，让抽象的量子力学概念能较为实在地体现在人们面前。本文中研究者以超越经典物理学的精度测量出纠缠态光子，这种高分辨率的量子态测量，不仅能带动以上应用领域的发展，亦将有助于实现相关物理参数的高精度。来源：中国科技网-科技日报 2014年06月07日

中国科技网讯 据物理学家组织网8月9日（北京时间）报道，英国格拉斯哥大学、赫瑞-瓦特大学以及加拿大渥太华大学的研究人员携手合作，首次利用照相机拍摄到量子纠缠的图像。量子加密通信、量子计算等技术的发展都需要依靠量子纠缠的物理特性，最新研究成果朝着开发这类应用迈进了一步。相关论文发表在《自然·通讯》杂志上。 量子纠缠是一种量子力学现象，处于纠缠态的两个粒子即使距离遥远，也保持着特别的关联性，对一个粒子的操作会影响到另一个粒子。简单来说就是，当其中一个粒子被测量或者观测到，另一个粒子也随之在瞬间发生相应的状态改变。这种仿佛心有灵犀一般的一致行动超出了经典物理学规则的解释范畴，被爱因斯坦形容为“鬼魅似的远距作用”。 在此次实验中，研究小组使用了一个具有高灵敏度的照相机来测量光子的高维空间纠缠。光子的纠缠态是用一种特殊的晶体将一个单光子一分为二来创建的。通过给这些光子对拍照，研究人员可以对光子位置之间的关联进行测量，这是经典物理学所无法实现的。借助201×201像素阵列，照相机可在同一时刻观察到量子光场的全景，研究小组也得以看到多达2500种不同的纠缠态。 参与该项研究的格拉斯哥大学物理学和天文学学院教授迈尔斯·帕吉特说：“一张图片胜过千言万语，这句格言用在此处再恰当不过了。每个像素都含有自己的信息，从而可能给量子加密通信的数据容量带来革新。” 他表示：“这项研究是朝着未来量子技术迈进的重要一步，同时也显示了照相机的一个重要新功能，那就是在量子信息科学方面的应用。”（记者 陈丹） 总编辑圈点 在量子世界中，与奇怪的定理相联系的是许多奇怪的现象，比如测不准原理,比如薛定谔的猫，再比如这个爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠。一副万物皆可能有默契的样子，让人无论站在人文还是科学的高度上，仅靠言语都难于描述一二。幸好，现在科学家把它拍下来了，当嘴巴因无力选择缄默时，我们还可以靠眼睛，直观的对视那无比奇妙的微观世界，期盼着从中窥探更多的可用信息，以完成宏观世界中对量子通信及量子计算的建设。 《科技日报》（2012-8-10 一版）