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利用激光传达量子讯息

  • 量子计算
  • 量子隐形传态
  • 量子加密
  • 单光子或纠缠光子源

在量子理论形成并得到大家接受后不久,科学家便开始讨论讨论该理论为人类可能带来的种种便利。量子计算机,抑或是量子理论应用中最出名的方向,有望以极高的计算速度实现从前不可企及的计算。任何耦合量子力学系统均可用于量子计算。固态系统,光晶格中的束缚离子及原子,以及photons with linear optical elements 都是量子计算研究的重中之重。首例量子操作通过固态系统和束缚离子得以实现,但相关领域竞争仍在进行。量子计算的基础是“量子态纠缠”,即量子力学理论中系统不同部分状态相互链接的现象。著名的“薛定谔的猫”形象地展示了量子纠缠相对日常生活中的体验来说多么奇特。即便是爱因斯坦也曾经怀疑过这个性质,以至于他和他的同事波多尔斯基以及罗森在1935年发表了一篇文章以证明量子理论是不完备的,必将会被另一个理论代替,这套新理论将包含所有在量子理论系统中隐藏的变量。他们的“EPR悖论”(EPR, 即Einstein, Podolski, Rosen) 首先在理论上被贝尔(贝尔定理)证伪。贝尔证明了量子力学系统的完备性。直到今天,贝尔定理多次为实验结果所支持。事实证明,完全描述量子特性并不需要隐藏变量的支持。

量子纠缠的其特性值也是量子隐形传态以及量子加密的基础。量子隐形传态可以将一个量子态从某空间位置的一个系统传输到另一空间位置的另一个系统。而量子加密的目标则是保证信息传输的绝对安全。显然,量子加密设备将会成为非常强大和重要的工具。量子加密主要依赖于单光子以及光子纠缠,目前已经商业化。

量子计算 预计将能以传统计算机无法企及的速度进行计算,模拟或者操作。例如,理论上证明量子计算机可以比传统计算机快许多的速度完成数据库检索或大数据分解。量子计算机庞大的计算能力主要由以下两个因素决定。首先,量子计算信息基础是称为量子位元的量子力学双能态系统(|0>以及|1>能态)。与传统信息系统的0/1比特不同,量子位元可以是两个能态的随意叠加 (a|0> + b|1>)。其次,量子计算的基础是基础能态叠加的相干操作。这样一来,|0>和|1>能态间任何组合均可同时计算,高度并行计算成为可能。作为计算基本操作的门操作已通过束缚离子与光子量子计算机得以实现。通过利用固态系统 (NMR), 从原理上证明了数字15量子计算分解的可行性。

量子隐形传态 是指一个物体的量子力学状态完全传递到另一个空间位置的另一个物体的过程。该过程利用量子纠缠的非局域性,一个令爱因斯坦也颇觉费解的性质。通过巧妙组合一系列针对光子的测量以及量子态纠缠操作,一个光子的偏振状态可以完全被映射至另一个光子上。就在最近,远距离物质量子元间的量子隐形传态通过两个独立的离子阱得以实现。与量子隐形传态以及量子计算密切相关的是所谓的“量子逻辑”。这里,一个物件的量子态将由另一个物件的特殊状态而决定。这种受控能态制备可用于计量学中以实现目前世界上最强大的铝离子原子钟之一。

量子加密 利用量子物理性质,例如量子态纠缠以及测量对量子态本身的反作用,来实现发射方(Alice)与接收方(Bob)的安全通信。标准方法是Alice和Bob在纠缠量子(通常指纠缠光子)系统中进行测试,从而为Alice和Bob创建密钥。由于可以利用该密钥为真实信息加密以及解密,这种量子加密方法被称作量子密钥分发。真实信息被Alice通过其测量进行加密并将测量结果通过开放通道传输给Bob(任何人都可以“旁听”加密信息),Bob则将通过测试对信息进行解密。任何窃听行为,即任何第三方尝试探测量子密钥的尝试,将被发射方和接收方探测到。因为根据量子物理定律,每个测试都会影响到量子力学状态本身。在这个前提下,所有的窃听都会被注意到。由于这个显著的优点,量子加密研究受到许多关注,迄今已取得许多成果。通过上百公里光纤或全程自由空间进行的量子密钥分布已经得到实现,同时通过卫星关联地面基站纠缠光子的方法正在探索研究中。为了证明其可用性,通过该系统进行了量子加密的银行交易。

单光子或纠缠光子光源 是量子计算以及量子加密的重要工具。在某触发时间可精确释放一个光子的单光子源可通过许多方式得以实现,例如通过固体色心或离子,光阱或光腔中的单原子,束缚离子或量子点系统。最常见的纠缠光子源是基于自发参量下转换的。在这个过程中,一个短波长高频率的光子通过非线性光学晶体转化为两个长波低频率的光子。得到的两个光子在偏光,动量以及能量方面性质相关性极强。该方向有许多研究正在进行中。重点方向主要集中于有效——理想状况下完全确定——光源的开发及量产实现。

TOPTICA的附加值 TOPTICA是束缚离子原子相关量子信息实验业内公认的光源供应专家。我们的激光被成功应用于原子离子的冷却,捕获,光泵浦或相干操控,其输出被定制为或者可调谐至相应单光子发射源激发波长。为了通过参量下转换产生纠缠光子对,需要使用输出目标光子对波长二分之一的激光作为基础以启动频率转换过程。通常,常用的近红外纠缠光子波长在800nm左右,因此需要400nm附近的紫外激光来启动频率转换。紫外波段激光的研发与生产是TOPTICA的核心竞争力。我们是第一家能够生产紫外波段二极管激光系统的厂商,并且为科研和工业客户提供多种具备不同线宽/相干特性及输出功率的激光系统。这样完备的产品组合是业界独一无二的。请联系我们为您的应用挑选最适合的激光器。