中國科學技術大學潘建偉教授及同事包小輝、江曉等在國際上首次實現了不同顏色獨立光子間的量子糾纏，解決了量子網絡中如何在不同頻率終端間進行糾纏連接這一難題。該工作于近日以編輯推薦論文（Editors' Suggestion）的形式發表在國際權威物理學雜志《物理評論快報》上，美國物理學會《物理?觀點》欄目（Physics: Viewpoint）也對該成果進行了專題報道。

量子糾纏是量子信息科學中的重要資源。以往實驗上有很多方法可產生糾纏光子，如利用非線性晶體內的參量下轉化過程、原子體系內的四波混頻過程等。不過通過這些方法只能局域地產生光子間的量子糾纏。然而在量子網絡等應用中需要將來自不同光源的獨立光子糾纏起來，進而實現多個終端間的糾纏連接。

目前雙光子干涉是實現獨立光子間量子糾纏的最主要方法。不過雙光子干涉對入射光子有著非常嚴格的要求，即只有當兩個光子具有同樣的顏色（頻率）時，才可以通過雙光子干涉來產生量子糾纏。然而在量子網絡中很多原因會導致不同終端發射的單光子具有不同的顏色，比如在量子點等人工物理體系中，每個量子點所處的環境因具有微小差別就會導致不同量子點的發光頻率具有較大的差異。此外，即使原本頻率一致的單光子也會由于平臺（星載或機載終端等）的高速運動導致其頻率發生移動。因此，如何在不同頻率的獨立光子間建立量子糾纏成為了可升級量子網絡進一步發展所急需解決的關鍵問題之一。

潘建偉小組在此研究工作中首次提出可采用時間分辨測量與主動相位反饋相結合的方法來實現不同頻率光子間的量子糾纏，并利用該小組近年來發展的窄帶量子光源平臺對此理論方案進行了實驗演示。他們通過研究發現，入射光子間的頻率差異會導致不同時間探測到的光子對具有不同的隨機相位，進而導致兩個單光子無法糾纏起來。為此，他們發展一套高精度的時間分辨探測系統及高速相位反饋系統。時間分辨探測系統主要用于實現對光子到達時間的精確測量，進而對隨機相位漲落進行跟蹤測量；高速相位反饋系統主要用于實現對糾纏光子態的內部隨機相位進行反饋控制。

通過采取這些技術手段，潘建偉小組成功地實現了將頻率相差為80MHz的兩個獨立光子糾纏起來，該頻率差別超過了每個入射光子各自頻率寬度的16倍之多。這一研究成果將在未來可升級量子網絡中有重要應用，可用于解決不同量子點間、不同NV色心間、以及不同物理體系間等因具有不同的躍遷頻率而難以進行糾纏連接的困難。

上述研究得到了中國科學院、教育部、基金委、科技部重大研究計劃，以及中組部“青年千人”等項目的支持。

（微尺度物質科學國家實驗室、近代物理系、量子信息與量子科技前沿創新中心）

論文鏈接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.103602

美國物理學會《物理?觀點》報道鏈接：http://physics.aps.org/articles/v7/25

轉自：中國科大新聞網 http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201403/t20140321_191349.html