Only Perception: 物理學家透過量子記憶「存取」量子糾結

2008-03-17

物理學家透過量子記憶「存取」量子糾結

Physicists Transcribe Entanglement into and out of a Quantum Memory
http://www.physorg.com/news124034968.html

March 06, 2008

加州理工的科學家在量子資訊科學中完成了關鍵的一步。他們證明量子糾結（entanglement，量子力學的基本特性），如何只靠按下一個鈕，就能在光束間產生、儲存於量子記憶（體）中（譯註：物質），然後重新映射（map）至光線中。

在 3/6 當期的 Nature 期刊上，加州理工物理教授 H. Jeff Kimble 及其同事首度證明對於控制量子資訊與量子網路所需一種很重要的能力，那就是將光子的同調轉換「糾結至」或「糾結自」分離的量子記憶。（coherent conversion of photonic entanglement into and out of separated quantum memories）

量子糾結位於量子物理學的中心，而且在此狀態中，一合成系統的某部份與其他標準的相似之物相較，具有更加強烈的關聯性，不管它們之間的距離分隔多遠。量子糾結是量子資訊科學各種應用中，例如量子度量（metrology）、計算與通訊，一種最關鍵的資源。量子網路則依賴量子糾結將量子態從某處遠距傳輸（teleportation）到某處。

將這些抽象的構想轉換成真實的實驗室系統，以及將量子糾結散播到遠端地點（甚至是跨洲的尺度）的探求中，Kimble 解釋，量子物理學家已經利用一種系統，稱為量子中繼器（quantum repeater），研究以不同方式使光子的資訊傳播至（propagate into）至或傳播自（propagate out）量子記憶。量子中繼器在 1998 年由 Innsbruck 大學的 H. Briegel, J.I. Cirac, 以及 P. Zoller 所發明。到目前為止，Kimble 的小組以原子系綜（atomic ensembles，系綜，一大群類似體系的集合）實現量子中繼器之研究，所依賴的是量子糾結的或然性建立。在此設置中，二原子雲之間，量子糾結的產生具有或然性，而不是一種明白清楚的預知事件。

雖然這樣的系統具有可縮放量子網路的潛力，不過要讓 Kimble 的 Quantum Optics Group 將這種方案應用到某些量子網路所需的協定上，例如量子糾結連接，有所困難。現在，透過新的協定與未來的改善，"我們能按一個鈕並產生量子糾結，" 物理畢業生 Kyung Soo Choi 說，Caltech 實驗的四位作者之一。

雖然傳統的量子糾結已經透過光子，試圖將兩個遠距系統連接而實現，不過要儲存這些光的粒子卻很困難，因為當一對一產生時（taken one by one），它們與物質的互動很少。光的量子記憶是以光子達成可縮放量子網路，不可或缺的一種要素。 Choi 說。"現在的問題是「你如將光的糾結態變成物質的糾結態，然後再回到光？」" 直到目前為至，對於任何物理系統來說都是不可能的。

這項新研究，Choi 說，"是個原理驗證示範，與物質之間的量子糾結能決定性地將光的糾結「映射至」與「映射自」空間上分離的量子記憶。" Caltech 分離這些程序以產生並貯存量子糾結，也因此破壞了質量（quality）與狀態準備（state preparation）機率之間，先前固有的連結。

"在一個普遍的脈絡中，我們的研究代表實驗室創造與操作光與物質糾結態能力的一種重要進步。我希望我們的結果在致力實現量子中繼器中，成為一種有用的工具，也因此能將量子網路放大到更長的距離，" Kimble 評論道。

在 Caltech 的實驗中，單一光子首先被分開，利用量子放大器（quantum amplitudes）為光子產生光的糾結態，以傳播到二種不同的路徑上，一次搞定二者。Caltech 團隊接著將量子糾結改寫（transcribed），或映射（mapped），到另一個相距一公尺的原子系綜上。為了創造光與物質之間的界面，該團隊利用雷射冷卻的銫原子，其原子態與一個控制的雷射起交互作用，以創造毀滅性的量子干涉，讓原子系綜不是不可見（透明）就是對輸入光而言高度不透光（不透明）。稱之為 Electromagnetically Induced Transparency（電磁感應透明，其先驅是哈佛大學的 S. Harris），這種機制操縱進入之糾結光子的光速，而那揭開整個程序。

"我們能將光速減慢到火車的速度，接著藉由緩慢關閉控制雷射，事實上讓光停止在物質中，在此，量子資訊 -- 光的糾結態 -- 就貯存在原子系綜裡，" Choi 描述。"再度開啟控制雷射後，我們可將「停滯」的光逆轉加速回光速，然後將量子糾結恢復成傳播中的光束。"

在此實驗中，光子的糾結以大約 20 奈秒的時間被映射到原子系綜中，接著儲存在原子系綜中達 1 微秒，而貯存時間可延伸至 10 微秒。光子糾結的輸入與量子界面的輸出，能明白地以 20% 的轉換效率定量。然而，研究者強調，現實世界的量子網路實現，即便有這些參數與最先進量子控制，依然遙不可及。Choi 評論，"未來在物質--光界面中，量子控制與貯存能力的改善將使得量子資訊科學有成果豐碩的且令人振奮的發現，包括量子網路的實現。"

※ 相關報導：

＊ Mapping photonic entanglement into and out of a quantum memory
http://www.nature.com/nature/journal/v452/n7183/abs/nature06670.html