新方法促光子进行多维度量子纠缠

　　美国加州大学洛杉矶分校的电气工程师发现了使光子发生多维度纠缠的新方法，这一方法可以使光子的数据传送量实现数倍提升。相关研究发表在最新一期《自然·光子学》期刊上。

    　爱因斯坦曾把量子纠缠描述为“幽灵般的超距作用”，因为这一现象看起来十分不可思议：在纠缠态中，即使两者距离很远，一个粒子发生了什么，另一个粒子也会瞬间发生同样的事，而且这一过程是超光速的。量子纠缠允许用户通过某种网络系统传送数据，而且立即知道数据是否安全送达，因此在安全通信领域大有用武之地。

　     在之前的研究中，科学家发现光子通常会在量子属性的一个维度进行纠缠，也就是它们偏振的方向。多年前美国麻省理工大学杰弗里·夏皮罗教授曾提出量子可以在多个维度进行纠缠的假设。在新研究中，研究人员发现可以利用光子的能量和旋转等量子属性使量子在多个维度进行纠缠，并证实了光子之间的量子纠缠确实是高维的、多自由度的。

  　   研究人员将超纠缠的光子发送到双光子频率梳中，使这些发生纠缠的光子分成多个更小的部分。在纠缠过程中，光子可以被加密或编码并通过光缆系统进行数据传送。每增加一个纠缠的维度，一对光子传送的数据量就会翻倍，因此如果一对光子在五个维度上纠缠，传送的数据量就是只在一个维度进行纠缠时的32倍。

  　   这种新方法主要从波分复用方法延伸而来，波分复用通常用来在一条光缆上同时传输多个视频数据。“我们发现，在单个光子水平上也可以使用光子频率梳。”研究负责人谢振达（音译）表示，这一研究实际上是在量子水平上运用了波分复用的概念。

  　   该研究结果可以保证以最小误差传输更大容量的数据，在量子云通信和分布式量子计算等方面都有很好的应用前景，医疗机构、政府数据通讯、金融市场、军队通信等多个领域均可从中受益。

    　总编辑圈点

        量子通信要想更快传输更多信息，要么同时制备并传输更多量子，要么让单个量子携带更多信息。本研究采用了第二种方式，通过量子多维度纠缠，让单个量子信息载量有了指数倍增加。这提示我们，尽管双方有本质不同，但传统领域的一些工程方法在量子通信领域也可借鉴，如波分复用、量子中继器等；另外，多一种维度就多一倍的信息容量，今后的研究可以通过不断提升量子纠缠的维度，在量子通信领域重现摩尔定律的辉煌。