研究人員創(chuàng)建了第一個(gè)三光子顏色糾纏的W狀態(tài)

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員構(gòu)建了一種量子力學(xué)狀態(tài)，其中三個(gè)光子的顏色相互糾纏。該狀態(tài)是一種特殊的組合，稱為W狀態(tài)，即使三個(gè)光子之一丟失，它也保留了一些糾纏，這對(duì)于量子通信很有用。這種糾纏態(tài)也使新穎的量子應(yīng)用和基本物理測(cè)試成為可能。

這項(xiàng)工作的獨(dú)特之處在于，研究人員使用顏色或光子的能量作為纏結(jié)的自由度，而先前的工作使用極化。光子的能量不能輕易改變，這降低了當(dāng)能量糾纏的W狀態(tài)在長(zhǎng)距離傳播時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的可能性。通過(guò)測(cè)量有關(guān)雙光子子系統(tǒng)的信息，首次驗(yàn)證了該狀態(tài)。

該項(xiàng)目的研究生方斌(Bin Fang)指出：“人們以前已經(jīng)創(chuàng)建了極化糾纏的W態(tài)。” “但是，這是在光纖中創(chuàng)建的第一個(gè)離散的能量糾纏的W狀態(tài)和第一個(gè)三光子糾纏的狀態(tài)。”

為了創(chuàng)造這種狀態(tài)，研究人員將激光照射到玻璃纖維中。通過(guò)稱為自發(fā)四波混合的過(guò)程，四個(gè)激光光子與光纖相互作用并被ni滅，以創(chuàng)建兩對(duì)具有不同顏色的光子(例如，兩對(duì)紅色和綠色光子)。這四個(gè)光子用于構(gòu)建3光子W態(tài)。其中一個(gè)被檢測(cè)為綠色，其余三個(gè)被糾纏為W狀態(tài)，該狀態(tài)由一次包含兩個(gè)紅色光子和一個(gè)綠色光子的所有可能的迭代組成。

研究人員使用的插圖是交通信號(hào)燈。

“就像三個(gè)交通信號(hào)燈總是發(fā)出兩個(gè)停止信號(hào)并發(fā)出信號(hào)一樣，光子的顏色最終總是變成兩個(gè)紅色和一個(gè)綠色，但是直到我們進(jìn)行測(cè)量之前，具體的組合才能設(shè)定下來(lái)-這是量子力學(xué)性質(zhì)的特征光子。”物理學(xué)副教授兼首席研究員弗吉尼亞·洛倫茲說(shuō)。

與其他類型的三粒子糾纏相比，W狀態(tài)對(duì)于量子通信非常有用，因?yàn)槿绻渲幸粋€(gè)光子丟失了，那么其他兩個(gè)將保持一定的糾纏狀態(tài)，這意味著通信可以繼續(xù)進(jìn)行。

洛倫茲說(shuō)：“這項(xiàng)研究的另一個(gè)新方面是，我們找到了一種驗(yàn)證狀態(tài)的途徑，以解決復(fù)雜的顏色轉(zhuǎn)換步驟。” “我們的理論家合作者提出了一種方法，可以很直接地證明W狀態(tài)的存在。”