非對稱量子糾結：在三維中「糾纏」的光子

Three 'twisted' photons in 3 dimensions
http://phys.org/news/2016-02-photons-dimensions.html

February 29, 2016

量子光學與量子訊息研究所（IQOQI）、維也納大學（University of Vienna）以及巴塞隆納自治大學（Universitat Autonoma de Barcelona）的研究者立下一個新的量子物理學里程碑：他們能使三個光子的高維度量子特性 -- 與「扭轉」三個光子的波前結構有關 -- 產生量子糾結。他們的實驗結果刊載於 Nature Photonics 期刊上。

量子糾結（Entanglement）是一種違反直覺的量子物理特性，一直使科學家與哲學家之流感到困惑。糾結的光量子會使彼此受到影響，不管它們之間相距多遠。考慮一下「量子冰上舞者」這個比喻，她們具有能夠同時以腳尖順時針與逆時針旋轉的神奇能力。一對糾結的冰上舞者遠離彼此旋轉，將具有完美相關的旋轉方向：如果第一個舞者順時針旋轉，她的夥伴也會這麼做，即使她們在不同大陸的溜冰場上滑冰。"在我們的實驗中，糾結的光子可用前面冰上舞者的例子來描繪，不過舞者數量為三，完美地跳出同步的量子力學芭蕾，" 第一作者 Mehul Malik 解釋。"她們的舞蹈也有點複雜，其中二位舞者除了以腳尖旋轉外，還演出另一種相關的動作。這種非對稱式量子糾結（asymmetric quantum entanglement）之前的論文就曾預測過，不過我們是第一隊在實驗室中真正創造出這種糾結的人。"


從基礎到應用：分層量子密碼學（Layered quantum cryptography）

科學家們利用另一種量子力學技巧創造出他們的三光子糾結態：他們使一對高維度糾結的（high-dimensionally entangled）光子結合，且使人無法分辨出特定光子來自何處。除了作為研究許多基礎量子力學概念的溫床外，像這樣的多光子糾結態，有許多應用，從量子運算到量子加密。此外，這項研究的作者們還開發出一種新型量子密碼學協定，利用它們的狀態，允許不同層次的資訊在多個粒子之間非對稱的分享且具有絕對的安全性。"這項研究替未來具有二個以上夥伴的量子網際網路開啟了大門，而且每個光子能傳遞超過一個位元以上，" Anton Zeilinger 表示。像這樣的量子通訊協定在成真之前仍有許多技術挑戰。然而，考慮到今日量子技術一日千里的情況下，這種類型的糾結在未來量子網路中找到一席之地是遲早的事。

※ 相關報導：

＊ Multi-photon entanglement in high dimensions
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.12

Mehul Malik, Manuel Erhard, Marcus Huber, Mario Krenn,
Robert Fickler, Anton Zeilinger.
Nature Photonics, 2016.
doi: 10.1038/nphoton.2016.12

Forming the backbone of quantum technologies today, entanglement has been demonstrated in physical systems as diverse as photons, ions and superconducting circuits. Although steadily pushing the boundary of the number of particles entangled, these experiments have remained in a two-dimensional space for each particle. Here we show the experimental generation of the first multi-photon entangled state where both the number of particles and dimensions are greater than two. Two photons in our state reside in a three-dimensional space, whereas the third lives in two dimensions. This asymmetric entanglement structure only appears in multiparticle entangled states with d > 26. Our method relies on combining two pairs of photons, high-dimensionally entangled in their orbital angular momentum. In addition, we show how this state enables a new type of 'layered' quantum communication protocol. Entangled states such as these serve as a manifestation of the complex dance of correlations that can exist within quantum mechanics.

＊ 量子實驗證明「時間」從量子糾結中「浮現」
＊ 在矽當中達成100 億位元的量子糾結
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