科学探索|德国研究团队实现了两个原子在33公里光缆上的纠缠连接德国研究团队实现了两个原子

在 2022 年 7 月 6 日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，来自德国慕尼黑大学（LMU）大学的一支研究团队，介绍了他们如何在 33 公里（20.5 英里）长的通讯光缆上，成功地实现了两个量子之间的纠缠。作为量子领域的一种奇特现象，处于纠缠态的两个粒子能够紧密联系在一起，且无论距离多远、都可即时在另一个粒子上得到状态响应。

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（图自 ? jan greune / LMU.de）
这种异常奇特的现象，让人们怀疑纠缠粒子的信息“传送”速度超越了光速，乃至爱因斯坦都称其具有“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）。
【科学探索|德国研究团队实现了两个原子在33公里光缆上的纠缠连接】

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几十年来，世界各地的研究人员们一直在通过实验来证明量子纠缠现象的存在。期间一些科学家试图利用这种奇异的性质，将之用于快速、长距离的数据传输。

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研究配图 - 1：实验装置示意图
在慕尼黑和萨尔大学科学家们携手开展的这项新研究中，他们打破了两个原子之间通过光纤进行量子纠缠的距离纪录。
首先，研究团队将两个铷（Rb）原子纠缠在 LMU 校园内两座不同建筑物的光阱中。然后它们被 700 米（2297 英尺）的光纤隔开，再通过额外的线轴延伸到 33 公里外。

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研究配图 - 2：6 公里光纤长度下的原子纠缠表征
接着每个原子都被激光脉冲所激发，从而使其发射出与原子发生量子纠缠的光子。之后光子沿着光缆向下发送，并于中间的接收站相遇。
那里的仪器会对光子展开联合测量，使之纠缠在一起 —— 由于两者已经与各自的原子形成了纠缠，所以这两个原子也继承了相互纠缠的状态。

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研究配图 - 3：长光纤链路上观察到的原子纠缠
尽管此前我们已经听说过在很长远的距离上实现了纠缠的光子，但这项新研究还是标志着两个原子在光缆上实现超长距离纠缠的新纪录。
通过将这两个原子当做“量子记忆”节点 —— 关键是中间光子被转换成更长的波长（自然波长为 780 nm）—— 使得它们可以在光纤中传播得更远。

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研究配图 - 4：各种链路长度下的纠缠保真度
如果只基于自然的波长，状态通常会在几公里之后走失。所以在其旅程开始之前，研究团队让它们经由一套设备，以转换成损耗更低的 1517 nm 的波长（接近电信光缆常用的 1550 nm 波长）。
研究人员表示，作为打造实用型量子互联网的重要一步，此举可让通信网络的速度远胜于过往、同时具有更高的量子安全性。更棒的是，这套方案还可在现有的光纤基础设施上运行。