當(dāng)兩個(gè)量子粒子相互關(guān)聯(lián)時(shí)，即使相距數(shù)百萬千米，也會(huì)發(fā)生量子糾纏。對一個(gè)粒子的觀察也會(huì)影響到另一個(gè)粒子，就好像它們在彼此交流一樣。當(dāng)這種糾纏涉及到光子時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些有趣現(xiàn)象，包括糾纏光子的頻率、光子的頻帶寬度都是可以控制的。

羅徹斯特大學(xué)的研究人員利用這一現(xiàn)象，通過他們在《物理評論快報(bào)》上描述的薄膜納米光子裝置，生成了驚人的大帶寬。

這一突破可能會(huì)導(dǎo)致:

• 提高計(jì)量學(xué)和傳感實(shí)驗(yàn)的靈敏度和分辨率，包括光譜學(xué)、非線性顯微鏡和量子光學(xué)相干斷層掃描；

• 信息處理和通信用量子網(wǎng)絡(luò)中信息的高維編碼。

羅徹斯特大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授林強(qiáng)說：“這項(xiàng)工作標(biāo)志著在納米光子芯片上制造超寬帶量子糾纏的一個(gè)重大飛躍，它展示了納米技術(shù)在未來通信、計(jì)算和傳感領(lǐng)域發(fā)展量子裝置的力量。”

不需要在帶寬和亮度之間權(quán)衡

迄今為止，大多數(shù)用于產(chǎn)生光的寬帶糾纏的設(shè)備都是采用將塊狀晶體分割成小塊的方法，每一塊晶體的光學(xué)性質(zhì)略有不同，所以每一塊晶體產(chǎn)生的光子對的頻率也不同。把頻率疊加在一起，就會(huì)產(chǎn)生更大的帶寬。

“這種方法效率很低，而且會(huì)降低光子的亮度和純度，”林強(qiáng)教授實(shí)驗(yàn)室的博士生烏斯曼 · 賈維德說。在這些設(shè)備中，“我們總是需要在生成的光子對的帶寬和亮度之間進(jìn)行權(quán)衡，必須在兩者之間做出選擇。我們用色散工程技術(shù)完全避免了這種二選一難題，可以同時(shí)兩者兼得：創(chuàng)紀(jì)錄的高帶寬和創(chuàng)紀(jì)錄的高亮度。”

林強(qiáng)教授的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建的薄膜鈮酸鋰納米光子器件使用兩側(cè)帶有電極的單個(gè)波導(dǎo)。根據(jù)賈維德的說法，以往一個(gè)大塊裝置可以達(dá)到毫米，但新的薄膜裝置的厚度為600納米——其橫截面積是一個(gè)大塊晶體小100多萬分之一。這使得光的傳播對波導(dǎo)的尺寸極為敏感。

事實(shí)上，即使只是幾個(gè)納米的變化，也可以引起光在其中傳播的相位和群速度的重大變化。因此，研究人員的薄膜裝置可以精確控制光子成對過程中與動(dòng)量匹配的帶寬。“然后我們可以解決參數(shù)最佳化問題，最大化這種帶寬。”賈維德說。

賈維德說，這種裝置已經(jīng)準(zhǔn)備好用于實(shí)驗(yàn)，但目前只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用。如果要在商業(yè)上使用，則需要一種更有效率和更具成本效益的制作方法。他說，盡管鈮酸鋰是光基技術(shù)的一種重要材料，但鈮酸鋰制造仍處于初級階段，需要一段時(shí)間才能成熟到具有經(jīng)濟(jì)意義。

文：任怡樸

編輯：王珩