到目前为止，Garching的科学家们已经能够用光镊操纵多达六个铷原子作为光学谐振器中的量子位。为了使它们可见，原子被激发地发光。从理论上讲，谐振器可以容纳多达200个原子，即高效的可寻址量子比特。图片来源：马克斯·普朗克学会
纠缠，爱因斯坦的“远距离幽灵般的行动”，今天是量子信息科学的工具。它是量子计算机的重要资源，用于在未来的量子网络中传输量子信息。但它是高度敏感的。因此，“按下按钮”，将静止的量子比特（量子比特）与以光子形式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格哈德·伦佩（Gerhard Rempe）领导的一个团队现在已经成功地做到了这一点，并联了原子。该研究成果于7月11日发表在《科学》杂志上。
原子夹在两面几乎完美的镜子之间。这种设置保证了与作为飞行量子比特的光子的可靠相互作用——这是格哈德·伦佩（Gerhard Rempe）开创的一项技术。使用光镊，该团队能够单独控制多达六个原子，并用光子纠缠每个原子。
通过应用多路复用技术，科学家们可以以几乎100%的效率证明原子-光子纠缠的产生，这是在量子网络上分布纠缠的突破性成就。
每当需要长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。“一个方面是在未来量子互联网中远距离传输量子信息，”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的研究员。
“第二个方面是将分布式网络中的许多量子比特连接起来，以形成更强大的量子计算机。这两种应用都需要静态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光物质界面，“Distante说。
目前正在采用几种不同的技术方法。Gerhard Rempe和他在Garching的团队多年来一直在研究一种方法，该方法使用被困在两个几乎完美的镜子之间的超冷铷原子作为光学谐振器。重点是未来的量子互联网。
这种方法具有固有的优势，因为它允许被捕获的原子与光子高效地相互作用，光子在两个镜子之间来回反弹约20,000次，就像乒乓球一样。
更重要的是，由于两个镜子中的一个比另一个稍微透明一些，光子会朝着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。如果该光子使用特定的激光脉冲协议与原子纠缠，则该纠缠在光子行进时保持。
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原子与另一个谐振器中的第二个原子纠缠在一起。在透射光子的帮助下，它们从两个原子形成了一个扩展的纠缠量子物体。然而，光子不能在途中迷失在玻璃纤维中，而这正是长途旅行的问题。
该解决方案，至少对于几公里的中等距离，称为“多路复用”。多路复用是传统信息技术中用于使传输更加稳健的标准方法。可以把它想象成通过嘈杂区域的无线电链路：如果沿着几个并行信道发送无线电信号，则它通过至少一个信道到达接收器的概率会增加。
“如果没有多路复用，即使是我们目前的互联网也无法工作，”Distante解释道。“但将这种方法转移到量子信息系统是一个特殊的挑战。
多路复用不仅对未来量子互联网中更安全的长距离传输感兴趣，而且对本地量子网络也很有趣。一个例子是分布式量子计算机，它由几个较小的处理器组成，这些处理器通过短光纤连接。它的静止量子比特可以通过与飞行量子比特的复用来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Garching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，并单独解决它们。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谐振器的技术。
“镜子之间只有大约半毫米的距离，”博士生、《科学》杂志上论文的第一作者Lukas Hartung解释道。
光镊由精细的激光束组成，这些激光束足够强，可以捕获其焦点中的原子并将其精确地移动到所需位置。使用多达六个这样的镊子，该团队能够在空腔中排列相应数量的浮动铷原子，以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——在量子物理学中是永恒的——它们可以很容易地被一个光子纠缠在一起。
“这几乎是100%有效，”Distante说，并强调了这种技术的关键优势：纠缠分布几乎是“确定性的”，即按下按钮即可。
可扩展到更多的量子比特为了实现这一点，该团队使用了位于谐振器上方的显微镜物镜，精度为微米级，以便将光镊的各个光束聚焦到狭窄的镜柜中。镊子光束通过所谓的声光偏转器产生，因此可以单独控制。光学器件中激光镊子的精确调整需要极大的灵活性。
“掌握这一挑战是实验成功的基石，”斯蒂芬·韦尔特（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研究员。
目前的实验给人们带来了希望，即该方法可以在不损失的情况下扩展到更多的量子比特：该团队估计，在这样的谐振器中可以控制多达200个原子。由于这些量子比特可以在谐振器中很好地控制，这将是向前迈出的一大步。由于该接口甚至可以将100%的纠缠光子馈送到光纤中，因此可以形成一个由许多谐振器组成的网络，每个谐振器有200个原子作为静止量子比特。
这将导致一台强大的量子计算机。这仍然是未来的梦想。但有了激光镊子，Garching团队现在已经牢牢地控制了这个未来的相当一部分。
更多信息：Lukas Hartung 等人，用光镊组装在光学腔中的量子网络寄存器，《科学》（2024 年）。DOI： 10.1126/science.ado6471
期刊信息： Science
