刷新世界纪录，德国科学家首次实现14光子纠缠

光子天然鲁棒且易于操纵，是理想的量子比特载体。然而，迄今为止最成功的创建光子纠缠的技术本质上是概率性的，因此严重受到可扩展性的限制。

马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家已经设法以一种新方式有效地纠缠了14个光子，这为构建新型量子计算机奠定了基础。8月24日，相关研究成果以《从单个原子高效生成纠缠多光子图态》为题[1]，发表在《自然》杂志上。

作者表示，“据我们所知，这14个相互连接的光子是迄今为止在实验室里产生的最大数量的纠缠光子。”此前记录是2018年中国科大潘建伟团队实现的12光子纠缠，同年潘建伟团队利用六个光子的三个不同自由度实现了18量子比特纠缠，这是光量子比特纠缠的世界纪录。

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纠缠光子，构建量子计算机的重要突破

量子现象从普通的、日常世界的角度来看往往很奇怪。例如，纠缠是粒子之间的量子物理连接，即使在任意长的距离也可以以奇特的方式将它们连接起来。这一性质可以用于量子计算机——一种与传统计算机不同，可以同时执行许多数学运算的计算机：为了在实际问题上使用量子计算机，大量纠缠的粒子必须协同工作；它们是计算的基本元素，可以充当所谓的量子比特。

虽然多量子比特纠缠已经在各种平台上得到证明，到目前为止，只有基于测量的量子计算的小规模实现。在这些平台中，光子作为量子比特载体脱颖而出，因为它们的退相干可以忽略不计，并且受益于无串扰的单量子比特寻址性，具有现成组件的测量功能。

“光子特别适合于此，因为它们本质上是鲁棒的，易于操纵。”位于慕尼黑附近的马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的博士生Philip Thomas说。他与Gerhard Rempe教授领导的量子动力学部门的同事一起，现在已经成功地迈出了使光子可用于量子计算等技术应用的重要一步：该团队首次以明确的方式和高效率地生成了多达14个纠缠光子。

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消除可扩展障碍，纠缠14个光子

为了解决光子系统难以拓展的问题，团队已经提出了确定性方案：它们使用单自旋存储量子比特，在一串连续发射的光子上介导纠缠。

“这个实验的诀窍是，我们使用单个原子来发射光子，并以非常特定的方式将它们交织在一起。”Thomas说道，为此，马克斯·普朗克的研究人员在光学腔的中心（一种电磁波的回波室）放置了一个铷原子，使用一定频率的激光，可以精确地解决原子的状态。随后，使用额外的控制脉冲，研究人员专门触发了与原子的量子态纠缠在一起的光子发射。

左图：在真空中设置一个光学谐振器，单一的铷原子被困于支架内的锥形镜面之间；右图：在光学工作台上使用真空室进行实验设置。

实验设置和实验方案。a）量子计算硬件架构。b）实验设置。87Rb原子耦合到高精细的腔体上，发射出一串纠缠光子。

"我们以先前确定的方式重复这一过程数次，"Thomas报告说。在这中间，原子以某种方式（旋转）被操纵。通过这种方式，有可能创建一个由多达14个光子组成的链条，这些光子通过原子旋转相互纠缠在一起，并被带入一个理想状态。“据我们所知，这14个相互连接的光子是迄今为止在实验室里产生的最大数量的纠缠光子。”

但是，不仅纠缠光子的数量标志着实验迈出了重要的一步，它们的产生方式也与传统方法有很大不同。“因为光子链是从单个原子中产生的，所以它可以以确定性的方式产生，”Thomas解释说。这意味着：原则上，每个控制脉冲实际上传递具有所需特性的光子。到目前为止，光子的纠缠通常发生在特殊的非线性晶体中。但缺点是，光子基本上是随机产生的，并且以无法控制的方式产生。这也限制了可以捆绑成集体状态的粒子的数量。

另一方面，团队使用的方法基本上允许产生任意数量的纠缠光子。此外，该方法可能是未来技术应用的另一个重要措施：“通过测量产生的光子链，我们能够证明近50%的效率，”Thomas说。这意味着几乎每秒钟铷原子就会传递出一个可用的光子，远远超过之前的实验。“总而言之，我们的工作消除了可扩展的，基于测量的量子计算道路上长期存在的障碍。”部门主任Gerhard Rempe说。

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应用范围广阔，不止量子计算

未来，MPQ的科学家们希望消除另一个障碍。例如，复杂的计算操作需要至少两个原子作为谐振器中的光子源：二维团簇状态。“我们正在努力解决这项难题。”Philip Thomas说[2]。

MPQ的研究人员还强调，可能的技术应用远远超出了量子计算的范围。“另一个应用示例是量子通信——防窃听的信息传输，例如通过光纤中的光。在那里，由于散射和吸收等光学效应，光在其传播过程中会经历不可避免的损失，这限制了数据传输的距离。使用此次开发的方法，量子信息可以携带在纠缠光子中，也可以承受一定量的光损失，实现更远距离的安全通信。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04987-5

[2]https://phys.org/news/2022-08-physicists-entangle-dozen-photons-efficiently.html

封面来源：Quantum Magazine