图片说明：可获得波导的硅环形谐振器示意图。输入端的绿波代表激光泵，输出端的红色和蓝色波束分别代表所产生的光子对，连接两个输出端之间的无限符号表示这个光子对的纠缠态。 图片来源：Università degli Studi di Pavia

研究人员已经成功制备出一种微型环形谐振器能够让单个光子“纠缠”，此举使得人们朝着量子新技术的发展迈出了重要一步。

纠缠态指的是两个粒子之间的瞬时联系，无论两个粒子之间距离相隔多远纠缠态都存在。它是量子物理学中的一个奇怪的概念，人们都在想：“它真的存在么？”爱因斯坦曾将纠缠态比作“幽灵般的超距离作用”。纠缠态是物理学中最有趣的现象，现在它似乎可以应用到科学技术领域中从而真正地造福人类。

硅晶片中的回路

若利用得当，纠缠的光子可以彻底改变计算、通讯和网络安全。尽管它们现在可在实验室中由相对较大的光电子元件制备得到，但寻找可适用于普通计算机芯片的纠缠态光子源仍然是个挑战。

这项发研究表在美国光学学会（Optical Society ，OSA）Optica杂志上，首次介绍了一个科研团队已成功制备得到足够小的可安置在标准硅片上的微型元件，这种标准硅片可持续产生纠缠态的光子。

此项基于硅技术的新设计也称之为微型环形谐振器。这些谐振器实际上是蚀刻在硅片中的回路，用来捕捉并重新发射出光粒子。通过不断对谐振器设计进行改进，研究人员制备得到了一种新型的纠缠态光子源；该光子源非常小却很高效，是用来制备芯片的理想组件。

自意大利帕维亚大学的研究人员，也是本文的合作作者Daniele Bajoni说道：“这种新光源最大优势就是它能同时集体型小、发光明亮和基于硅材料等特点于一身。”环形谐振器的直径仅为20微米，约为人头发直径的十分之一。之前所制备得到的光源都要比这种新光源大几百倍。”

两个重要的意义

多年来，研究人员和工程人员已经发现了纠缠态光子的巨大应用潜力。这一量子物理的新发现将对现有技术产生两个重要的意义。

第一，如果某物对纠缠光子中的一个进行作用，则另一个也将做出反应，即便另一个光子在计算机芯片的另一面，或者甚至在银河系的另一端。这种性质，如果合理利用，可用来大大提高计算性能和速度。

第二，某种意义上这两个光子是一个整体，可提供新的通讯协议，从而避免间谍活动的破坏。

这些看似不可能的技术对某种新一代技术的发展又是十分必要的，诸如在比当代超级计算机先进很多的未来计算机和安全通讯技术上。

虽然不够快

为了能使这些新技术应用到实际中，我们需要一类新型的纠缠态光子发射器，可与现有硅片技术很好地相结合。

直到现在，纠缠态光子发射器最小只有毫米量级，这对于在芯片上的应用仍然太大；这些发射器还需要大功率。为了克服这些问题，研究人员开始注意到一种环形谐振器可作为一种新型的纠缠态光子源。我们可使用类似于其他半导体芯片的方法在芯片上刻蚀得到环形谐振器。为了给谐振腔供电，在样品的输入端沿着光纤导入激光束，并将激光束耦合到谐振器中，而光子在此环形谐振器中运动。这就为光子的混合与纠缠创造了理想条件。

研究人员还注意到，当光子离开谐振器时，它们中的绝大多数都呈现出纠缠态。

Bajoni说道：“我们的设备可得到其它集成光源根本无法获得的具有量子力学特性的光束。对于一个硅集成光源来说，纠缠态光子的产生速度极快，堪比很多强激光驱动的大块晶体。

他还说道：“多年来，人们研制了很多硅集成器件用来对光进行过滤和光路设计，大多数应用于通信领域。我们的微型环形谐振器可与这些器件联合使用，朝着充分利用芯片的纠缠态迈进了一大步。”这些研究将为量子信息技术的实际应用铺平道路，尤其是在量子密码协议方法，将提供传统密码协议无法企及的安全通讯。

按照Bajoni及其同伴的设想，这种协议已经通过测试能够发挥实际用途。他们的研究工作表明在光纤网络中已经可以得到一种成本较低的、小型的、可靠的纠缠态光子源。因此，纠缠态在实际工作中的应用，即“幽灵般的超距离作用”是有可能的。

（来源：科学之家，译审：Y Li）

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