如何在相距很远的粒子之间建立量子纠缠，这是量子物理领域长期未得到解决的一个问题。近期，斯坦福大学的研究人员在这方面取得了新的进展。
“量子纠缠”吸引了众多研究者的目光，并且对政府、银行、军队等敏感部门来说尤为诱人，因为从理论上讲，我们可以利用这项技术在量子网络中进行绝对安全的保密通讯。在由两个或多个粒子组成的系统中，我们可以观察到粒子之间存在某种关联，这种系统便是处于纠缠态的量子系统。即使这些粒子彼此相隔千里，它们之间的关联仍然存在。
具体来说，我们可以设想两个处于纠缠态的电子。每个电子的自旋有两种可能的取向，而两个电子的自旋取向又可能是相互关联的，即纠缠。如果把空间上相距很远的两个纠缠电子比作分别位于北京和上海的两枚硬币，并以硬币的转动方向代表电子的自旋，那么一种可能的关联是：这两枚硬币的转动方向始终相反。如果我们让北京的硬币顺时针转动，那么上海的硬币就一定会逆时针转动；反之，如果我们让北京的硬币逆时针旋转，那么上海的硬币就会顺时针旋转。我们并没有人为操纵两枚硬币保持转动方向相反，而是两枚硬币会自然地保持这一特征。如果你觉得这件事很诡异，不必惊慌，因为就连爱因斯坦也把量子纠缠描述为“幽灵相互作用”。
通常，电子被束缚在原子中。如果两个被束缚的电子相距很远，那么它们之间很难产生相互作用进而达到纠缠状态。但是，光子不会受到原子结构的限制，可以作为传递电子相互作用的载体。目前，研究人员能够在光子和电子之间建立量子关联（quantum correlation），也就是让光子与电子纠缠，从而使光子携带关于电子自旋的信息，传送到远处。
斯坦福大学的物理学家Leo Yu曾经完成过此类实验。他使光子与电子纠缠，而后光子携带着纠缠电子的信息在光纤中传输了数英尺的距离。最新一次，他与包括Emeritus Yoshihisa Yamamoto教授在内的多名物理学家合作，成功地使电子的纠缠光子传输了1.2英里，即1.93千米，创下了这一领域内的新纪录。Yu介绍说：“电子自旋是量子计算机的最基本单元，而我们所做的工作将为未来搭建安全可靠的全球量子网络打下基础。”
图中的非线性光学波导可以将单光子的波长转换到常见的通信波长
为了完成此次实验，Yu所带领的团队必须保证，光子在长距离传输的过程中始终与发出这个光子的电子处于纠缠状态。光子在光纤中传输时，其偏振方向很容易发生改变，于是，如何能够保持偏振光子与电子之间关联性便成为实验中的一个关键挑战。
光子有两种可能偏振方向：竖直偏振和水平偏振。如果用这两种偏振方向来代表计算机中的0和1，那么光子就可以传送数字信息，但是如果在传输的过程中光子的偏振发生了改变，那么它与纠缠电子之间的关联就被破坏了。然而，Yu找到了其他方法来存储电子的自旋信息。他为量子纠缠系统引入了时间戳（time-stamp）机制，把光子到达时间与电子自旋关联起来。这种时间戳可以作为校验光子是否仍然与电子保持纠缠的参考标记。
两个空间上相距很远的电子之间无法产生直接的相互作用。要使它们最终达到纠缠状态，Yu需要制备出与两个光子，这两个光子分别由两个电子产生并与之纠缠。光子在光纤中传输，到达两个电子连线中点处的分束器（beam splitter），进而发生相互作用。通常情况下，光子不会发生相互作用，只是迎面相遇然后继续向前传播。Yu需要通过精密的调节使得光子发生“双光子干涉”（two-photon interference），也即是使两个光子发生相互作用。
一般情况下，两个电子产生的光子的波长有差异，无法发生干涉。所以，为了保证双光子干涉能够发生，Yu等人让光子在进入光纤之前先通过一个量子下转换器（quantum down-converter），使得两个光子波长匹配。不仅如此，下转换器还使光子的波长达到通讯光纤中损耗最低的波长，从而提升了传输效率。
量子计算机的计算速度与传统计算机相比将有指数级别的提高，并且在通信过程中将完全不存在信息泄露的风险。Yu等人的这项工作使我们距离量子网络时代更近了一步。
翻译：赵昌昊
校审：檀泽浩
原文链接：http://phys.org/news/2015-11-phy ... ages-electrons.html
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