量子纠缠，即爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”，如今已成为量子信息科学的工具。它是量子计算机必不可少的资源，在未来的量子网络中用于传输量子信息。但这是高度敏感的。因此，将静止的量子比特(量子位)与以光子形式“按下按钮”的飞行量子比特纠缠在一起是一个巨大的挑战。
由德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所所长Gerhard Rempe领导的一个团队，现在已经成功地用原子并联的方式做到了这一点。这项研究发表在7月11日的《科学》杂志上。
原子被夹在两个几乎完美的镜子之间。这种设置保证了光子作为飞行量子比特的可靠相互作用——这是Gerhard Rempe首创的技术。使用光学镊子，该团队能够单独控制多达六个原子，并将每个原子与光子纠缠在一起。
通过应用多路复用技术，科学家们可以以几乎100%的效率展示原子-光子纠缠的产生，这是在量子网络上分配纠缠的突破性成就。
每当需要远距离传输量子信息时，静止量子比特和飞行量子比特之间的接口就会发挥作用。“其中一个方面是量子信息在未来量子互联网中的长距离通信，”Emanuele Distante解释说，他作为博士后研究员监督了这项实验，现在是巴塞罗那ICFO的一名研究员。
“第二个方面的目标是将分布式网络中的许多量子位连接起来，形成更强大的量子计算机。这两种应用都需要静止量子比特和运动量子比特之间的高效接口。这就是为什么世界各地的许多团体都在狂热地研究量子力学的光-物质界面，”远距离说。
目前正在采用几种不同的技术方法。加兴的Gerhard Rempe和他的团队多年来一直在研究一种方法，该方法将超冷铷原子捕获在两个几乎完美的镜子之间，作为光学谐振器。重点是未来的量子互联网。
这种方法有一个固有的优势，因为它允许一个被捕获的原子与一个光子高效地相互作用，光子在两个镜子之间来回反弹大约20000次，就像乒乓球一样。
更重要的是，由于一面镜子比另一面更透明，光子以精确预定的方向离开。这意味着它不会丢失，而是可以可靠地耦合到光纤中。如果这个光子使用一种特定的激光脉冲协议与原子纠缠，这种纠缠在光子传播过程中保持不变。
多路复用以克服传输损耗
2012年，Garching团队通过60米长的玻璃纤维，通过“光子无线电”成功地将一个谐振器中的一个原子与另一个谐振器中的第二个原子纠缠在一起。在传输光子的帮助下，它们从两个原子形成了一个扩展的纠缠量子物体。然而，光子不能在沿途的玻璃纤维中丢失，这正是长途旅行的问题所在。
至少在几公里的中距离内，这种解决方案被称为“多路复用”。多路复用是经典信息技术中用于增强传输鲁棒性的标准方法。可以把它想象成一个通过噪声区域的无线电链路:如果你沿着几个平行的信道发送无线电信号，那么它通过至少一个信道到达接收器的可能性就会增加。
“如果没有多路复用，即使是我们现在的互联网也无法工作，”远距离解释道。“但将这种方法转移到量子信息系统是一个特别的挑战。”
多路复用不仅对未来量子互联网中更长距离的安全传输很有意义，而且对本地量子网络也很有意义。分布式量子计算机就是一个例子，它由几个较小的处理器组成，这些处理器通过短光纤连接在一起。它的静止量子位可以通过多路复用与飞行量子位更可靠地纠缠在一起，形成一个分布式的、更强大的量子计算机。
用于处理原子的激光镊子
加兴团队面临的挑战是将几个原子作为静止量子比特加载到谐振器中，并分别对它们进行处理。只有当原子的位置已知时，它们才能与每个光子平行纠缠，以实现多路复用。因此，该团队开发了一种将光镊插入窄腔的技术。
“镜子之间的距离只有半毫米左右，”卢卡斯·哈通解释说，他是博士生，也是《科学》杂志上这篇论文的第一作者。
光学镊子由精细的激光束组成，这些激光束的强度足以捕获一个原子，并将其精确地移动到所需的位置。使用多达6个这样的镊子，该团队能够在腔中排列相应数量的浮动铷原子，形成一个整齐的量子比特晶格。由于原子可以很容易地在陷阱中停留一分钟——这在量子物理学中是短暂的——它们可以很容易地与一个光子纠缠在一起。
“这种方法几乎100%有效，”他强调了这种技术的关键优势:缠结分布几乎是“确定的”，也就是说，只要按下一个按钮。
可扩展到co更多的量子位
为了实现这一目标，该团队使用了位于谐振器上方的显微镜透镜物镜，其精度为微米级，以便将光镊的单个光束聚焦到狭窄的镜柜中。镊子光束是通过所谓的声光偏转器产生的，因此可以单独控制。光学中激光镊子的精确调节需要极大的灵巧性。
“掌握这一挑战是实验成功的基石，”Stephan Welte总结道，他作为团队的一员帮助开发了这项技术，现在是苏黎世联邦理工学院的一名研究员。
目前的实验给了人们希望，这种方法可以在不损失的情况下扩展到更多的量子比特:研究小组估计，在这样的谐振器中，最多可以控制200个原子。由于这些量子比特可以在谐振器中很好地控制，这将是一个巨大的进步。当界面甚至将100%的纠缠光子送入光纤时，一个由许多谐振器组成的网络将成为可能，每个谐振器有200个原子作为静止的量子比特。
这将产生一个强大的量子计算机。它仍然是一个未来的梦想。但有了激光镊子，Garching团队现在已经牢牢控制了未来的很大一部分。
