文/Sally Cole Johnson

圖1：Bereneice Sephton 正在量子光學(xué)實驗室中做量子傳輸實驗。

來自南非Wits大學(xué)和西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）的研究人員，通過非線性光學(xué)技術(shù)展示了光模式的量子傳輸。

這一切都源于這樣的思考：如果用非線性光學(xué)元件取代線性光學(xué)元件（見圖 2），會發(fā)生什么？在量子遠(yuǎn)距傳態(tài)（teleportation）的情況下，這意味著不再需要額外的光子。僅用一對糾纏光子，該團(tuán)隊就創(chuàng)造出了一種高維度的量子遠(yuǎn)距傳態(tài)方法。

圖2：線性光學(xué)元件——分光鏡的特寫，它是量子遠(yuǎn)距傳態(tài)的傳統(tǒng)工具。

該團(tuán)隊的方法首次證明：圖像可以在網(wǎng)絡(luò)上傳輸且并不需要物理發(fā)送圖像，這克服了傳統(tǒng)量子線性光學(xué)方法的局限性。

在實驗演示中，研究人員僅用兩個糾纏光子作為量子源，就實現(xiàn)了高達(dá)15維度的量子傳輸，將信息從發(fā)送端（Alice）“遠(yuǎn)距傳態(tài)”到接收端（Bob）。實現(xiàn)這一傳輸?shù)拿卦E是什么？非線性光學(xué)探測器的使用，免去了對更多光子的需求，并適用于任何信息發(fā)送模式。最重要的是，他們的方法可以擴(kuò)展到更高維度，這為高信息容量的量子網(wǎng)絡(luò)連接打開了大門。

“遠(yuǎn)距傳態(tài)是量子網(wǎng)絡(luò)的核心要求，但是我們從過去遠(yuǎn)距傳輸二維量子態(tài)的經(jīng)驗中知道，增加維度是非常困難的。”Wits大學(xué)物理學(xué)院的杰出教授Andrew Forbes（于2015年建立了結(jié)構(gòu)光實驗室）說到，“二維傳輸需要四個計數(shù)率非常低的糾纏光子，而且每增加一個維度，都需要增加糾纏光子對——這是不可能的。”

非線性晶體方法是如何工作的？

該團(tuán)隊使用一個標(biāo)準(zhǔn)的非線性晶體作為非線性光學(xué)元件，并作為探測器的一部分。兩個光子進(jìn)入非線性晶體并結(jié)合，然后通過上轉(zhuǎn)換過程（upconversion process）產(chǎn)生一個新的光子（見圖 3）。

圖 3：非線性過程使用兩個光子輸入非線性晶體，然后產(chǎn)生一個輸出光子。

 “大多數(shù)糾纏態(tài)是由非線性晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC，spontaneous parametric down conversion）過程產(chǎn)生的，即一個光子輸入，兩個光子輸出。”Forbes 說，“但我們的非線性晶體探測器卻恰恰相反，它用兩個光子輸入，產(chǎn)生一個光子輸出，所以我們將其稱之為反SPDC。事實證明，反SPDC正是實現(xiàn)量子態(tài)精確傳輸所需要的全部條件。”

量子遠(yuǎn)距離通信是信息安全領(lǐng)域不可或缺的一部分，衛(wèi)星之間的二維量子通信（量子比特）已經(jīng)證明了這一點。與傳統(tǒng)的通信相比，量子通信似乎足夠安全，因為量子通信每次發(fā)送的比特可以用 “1”（有信號）和“0”（無信號）來表示。但是，量子光學(xué)更進(jìn)一步，可以增加傳輸信息的容量，且能夠單次傳輸更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如指紋或人臉。

是遠(yuǎn)距傳態(tài)還是量子傳輸？

該團(tuán)隊的工作為遠(yuǎn)距傳態(tài)或量子傳輸打開了一扇全新的大門。它克服了傳統(tǒng)的基于線性光學(xué)傳輸方法需要更多光子所帶來的巨大挑戰(zhàn)。

“我們的方法只需要兩個糾纏光子，但同樣也面臨著巨大挑戰(zhàn)：要真正實現(xiàn)遠(yuǎn)距傳態(tài)，必須大幅提高非線性晶體的效率。”Forbes說，“我們的工作提供了一條令人興奮的探索道路，有許多懸而未決的問題和挑戰(zhàn)，并且能夠促進(jìn)人工材料的非線性效應(yīng)研究。”

這項工作也讓人們看到了什么才是真正的遠(yuǎn)距傳態(tài)。Forbes說，“爭論的焦點在于，擁有探測器的探測者是否一定不知道、還是不應(yīng)該知道被傳輸?shù)牧孔討B(tài)。”在我們的方法中，探測者可以知道，但不需要知道。這真的是遠(yuǎn)距傳態(tài)嗎？我們認(rèn)為是，但也有人不同意。為了安全起見，我們稱之為量子傳輸。一方可以在不發(fā)送信息的情況下將信息傳送給另一方。我們認(rèn)為這對量子網(wǎng)絡(luò)來說非常酷，也非常有價值。

通過光模式向另一個人/團(tuán)體（比如銀行）發(fā)送信息，而無需實際發(fā)送信息，這一概念非常令人震驚（見圖4）。“假設(shè)你想向銀行發(fā)送一個指紋，而銀行向你發(fā)送了一個沒有攜帶任何信息的光子，”Forbes解釋說，“把這個光子與你的指紋重疊在一起，這些信息就被立即傳送到銀行。任何攔截銀行光子的人都一無所獲，因為光子中沒有任何信息。這太神奇了，而且只有在量子世界里才有可能實現(xiàn)。”

圖 4：量子光學(xué)提高信息傳輸?shù)陌踩�性�?/p>

Forbes說，正如所預(yù)期的一樣，這個實驗的成功非常不可思議，雖然這種方法聽起來很簡單，但卻花了數(shù)年時間才得以實現(xiàn)。

Forbes和 ICFO 的同事Adam Vallés都對Wits大學(xué)的博士后研究員Bereneice Sephton表示贊賞，是她讓這個系統(tǒng)開始工作并完成了關(guān)鍵實驗。

Bereneice Sephton在實驗中有怎樣的經(jīng)歷？Sephton說，“這很令人興奮——我們不得不在實驗中途搬遷實驗室，所以到最后，我們已經(jīng)重新改變和重新設(shè)計了很多次實驗裝置。因此，當(dāng)新的實驗系統(tǒng)出成果時，我們充滿了成就感。”

對于Sephton來說，感到最酷的事情是什么呢？“最終結(jié)果非常好，”她說，“在某些情況下，我們探測到的光子非常接近本底噪聲，而信息卻能很好地傳遞了出去! 為了理解如何提高信息容量，我們還將探測到的結(jié)果與理論預(yù)測進(jìn)行比較，兩者非常吻合，就像終于拼好了所有的拼圖。從那時起，向光子前進(jìn)的相反方向發(fā)送信息就真的是反直覺了，而這讓我們在原理和實踐上都覺得非常有趣。”

“利用目前可用的技術(shù)進(jìn)行概念驗證實驗，是一次有趣的旅程，我們要感謝Sephton博士的決心和馴服這種實驗野獸所需的綜合技能。”Vallés說，“這是一項真正的實驗室工作成果，她應(yīng)該受到贊揚。”

“這個實驗毫無疑問是我們團(tuán)隊做過的最困難的實驗，Bereneic的出色表現(xiàn)讓實驗得以成功。”Forbes 說，“從概念上講，這很簡單，但實施起來卻花了好幾年時間。她是我們這個領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星，擁有這樣的天才真是太棒了。”

提高非線性晶體的效率

未來面臨的一項挑戰(zhàn)是：非線性晶體的效率必須大幅提高，這樣才能被認(rèn)為是真正的遠(yuǎn)距傳態(tài)。Forbes說，“這是個大目標(biāo)，但非常令人興奮，因為它吸引了量子學(xué)以外的其他領(lǐng)域（如材料學(xué)和超表面）的專家為我們的全球量子網(wǎng)絡(luò)做出貢獻(xiàn)。”

下一步，研究人員將瞄準(zhǔn)更高維度（目前已經(jīng)實現(xiàn)了15維度的量子傳輸）和下行光纖（down optical fiber），“這并不容易，但卻值得一做。”Forbes補充道。