研究人员开发出一种能产生两束纠缠光束的光源

科学家们越来越多地研究量子纠缠，当两个或多个系统以这样一种方式创建或相互作用时，一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。加密、通信和量子计算应用的巨大潜力刺激了研究。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。他们的工作发表在PhysicalReviewLetters上。

“这个光源是一个光学参量振荡器，或OPO，它通常由形成光学腔的两个镜子之间的非线性光学响应晶体组成。当明亮的绿色光束照射在设备上时，晶体镜动力学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(HansMarinFlorez)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，原子本身可以用作介质而不是晶体。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，并获得了可以与相互作用的源其他有可能用作量子存储器的系统，例如冷原子，”弗洛雷斯说。

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PhysicalReviewLetters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，我们能够证明它们是纠缠的。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。我们实际产生的不是两个相邻光谱带纠缠在一起，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，”弗洛雷斯说。“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。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。

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。