从幽灵行动到现实世界的技术：哥伦比亚大学的量子纠缠突破

一组研究人员已经开发出一种微型、节能的设备，能够产生光子对，在任何距离上都能保持量子纠缠。

利用创新的材料和方法，这一成就标志着量子技术向前迈出了一大步，有可能彻底改变计算、电信和高精度传感系统。

光子对产生的进展

一个多世纪以来，物理学家一直在解开光子、电子和其他亚原子粒子在难以置信的微小尺度上的行为之谜。反过来，工程师们花了几十年时间将这些发现转化为实用技术。

量子纠缠是这个领域最令人着迷的现象之一。当两个光子纠缠在一起时，它们的状态以这样一种方式联系在一起，即一个光子状态的任何变化都会立即被另一个光子反映出来，无论它们相距多远。

大约80年前，阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。今天，量子纠缠是全球研究的一个主要焦点，并且正在成为实现量子比特（量子信息的基本单位）的首选方法。

目前，制造光子对最有效的方法是让光波穿过一个大到不用显微镜也能看到的晶体。在1月13日发表在《自然光子学》杂志上的一篇论文中，由哥伦比亚工程研究人员和合作者领导的一个团队描述了一种创造这些光子对的新方法，这种方法可以在更小的设备上使用更少的能量实现更高的性能。哥伦比亚大学工程学院机械工程副教授詹姆斯·舒克（P. James Schuck）帮助领导了这个研究小组。

非线性光学的创新

这些发现代表了非线性光学领域向前迈出的重要一步，该领域涉及使用技术改变激光，电信和实验室设备等应用的光的性质。

“这项工作代表了连接宏观和微观非线性和量子光学的长期目标的体现，”詹姆斯·舒克说，他是哥伦比亚大学量子科学与技术硕士的联合主任。“它为可扩展、高效的片上集成器件（如可调谐微观纠缠光子对发生器）提供了基础。”

革命性的量子器件

新设备只有3.4微米厚，预示着未来许多量子系统的重要组成部分可以装在硅芯片上。这一变化将使量子设备的能源效率和整体技术能力显著提高。

为了制造这种装置，研究人员使用了一种叫做二硫化钼的范德华半导体过渡金属的薄晶体。然后，他们把6块这样的水晶片堆叠起来，每一块都相对于上面和下面的水晶板旋转180度。当光穿过这个堆叠时，一种叫做准相位匹配的现象会操纵光的特性，从而产生成对的光子。

光子对产生的突破

这项新研究首次将范德华材料中的准相位匹配用于产生波长对电信有用的光子对。这种技术明显比以前的方法更有效，而且更不容易出错。

詹姆斯·舒克说：“我们相信这一突破将使范德华材料成为下一代非线性和量子光子体系结构的核心，它们是实现所有未来片上技术和取代当前块状和周期性极化晶体的理想候选者。”

“这些创新将在卫星分配和移动电话量子通信等多个领域产生直接影响。”

一种新型量子器件的开发

詹姆斯·舒克和他的团队在他们之前的工作基础上开发了这种新设备。在2022年，该小组证明了像二硫化钼这样的材料具有非线性光学的有用特性，但性能受到光波在穿过这种材料时相互干扰的趋势的限制。

该团队转向一种称为周期性轮询的技术来解决这个问题，即所谓的相位匹配。通过交替堆叠中平板的方向，该设备以一种能够在极小长度尺度上产生光子对的方式操纵光。

詹姆斯·舒克说：“一旦我们了解了这种材料有多神奇，我们就知道我们必须追求周期性极化，这可以高效地产生光子对。”

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