光的“梳子”的量子观点

与我们日常生活中周围的光产生的频率混乱不同，在一个被称为“孤子”频率梳的特殊光源中，每一个频率的光都在一致地振荡，产生定时一致的孤立脉冲。

梳子的每一个“齿”都是不同颜色的光，间隔如此精确，以至于这个系统被用来测量各种现象和特征。这些梳子的小型化版本——被称为微型梳子——目前正在开发中，有潜力增强无数的技术，包括GPS系统、电信、自动驾驶汽车、温室气体跟踪、航天器自主和超精确计时。

斯坦福大学电气工程师Jelena Vu?kovi?的实验室最近才加入微梳社区。“许多团队已经演示了多种材料的片内频率梳，包括我们团队最近在碳化硅中进行的。然而，到目前为止，频率梳的量子光学特性一直是难以捉摸的，”詹森·黄(Jensen Huang)工程学院全球领导力教授和斯坦福大学电气工程教授Vu?kovi?说。“我们想利用我们小组的量子光学背景来研究孤子微梳的量子特性。”

虽然孤子微梳已经在其他实验室制造出来，但斯坦福大学的研究人员是第一批研究该系统量子光学特性的人之一，他们在12月16日发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上的一篇论文中概述了这一过程。当成对产生时，微梳孤子被认为表现出纠缠——粒子之间的一种关系，使它们能够在难以置信的距离内相互影响，这是我们对量子物理学的理解的基础，也是所有提出的量子技术的基础。我们每天遇到的大多数“经典”光并不表现出纠缠态。

“这是这种微型频率梳可以在芯片上产生有趣的量子光——非经典光的首批演示之一，”Vu?kovi?纳米尺度和量子光子学实验室的研究科学家、论文的合著者Kiyoul Yang说。“利用频率梳和光子集成电路进行大规模实验，可以为更广泛地探索量子光开辟一条新途径。”

为了证明他们的工具的实用性，研究人员还提供了令人信服的证据，证明孤子微梳内的量子纠缠，这已经被理论化和假设，但尚未被任何现有的研究证明。

“我真的很想看到孤子在量子计算中变得有用，因为它是一个被高度研究的系统，”梅丽莎·古德瑞(Melissa Guidry)说，她是纳米尺度和量子光子学实验室的研究生，也是这篇论文的合著者。“目前，我们有很多技术可以在低功耗的芯片上产生孤子，因此，如果能够利用这些技术证明存在纠缠态，那将是令人兴奋的。”

牙齿之间

前斯坦福大学物理学教授Theodor W. H?nsch因开发出第一个频率梳而在2005年获得诺贝尔奖。创建H?nsch研究的东西需要复杂的、桌面大小的设备。相反，这些研究人员选择专注于更新的“微型”版本，即系统的所有部分被集成到一个单一的设备中，并被设计成适合于一个微芯片。这种设计节省了成本、尺寸和能源。

为了制造他们的微型梳子，研究人员将激光泵入一个微小的碳化硅环(这是利用斯坦福纳米共享设施和斯坦福纳米制造设施的资源精心设计和制造的)。在环上运动时，激光的强度增加，如果一切顺利，一个孤子就诞生了。

纳米尺度与量子光子学实验室的研究生、该论文的合著者丹尼尔·卢金说:“这很有趣，你可以用一个激光泵浦和一个非常小的圆来产生同样的特殊光，而不是这种奇特的、复杂的机器。”他补充说，在芯片上产生的微梳子使牙齿之间的间距变大，这是能够观察梳子更精细细节的第一步。

接下来的步骤包括能够探测光的单个粒子的设备，并在微环中填充几个孤子，创造一个孤子晶体。“对于孤子晶体，你可以看到实际上在牙齿之间有更小的光脉冲，这是我们用来推断纠缠结构的测量，”古德瑞解释说。“如果你把探测器停在那里，你可以很好地观察有趣的量子行为，而不会被构成牙齿的相干光淹没。”

由于他们正在对这个系统的量子方面进行一些最早的实验研究，研究人员决定尝试确认一个理论模型，称为线性化模型，这通常被用作描述复杂量子系统的捷径。当他们进行比较时，他们惊讶地发现实验与理论吻合得非常好。因此，虽然他们还没有直接测量他们的微梳是否有量子纠缠，但他们已经证明它的性能符合暗示纠缠的理论。

“我们得到的信息是，这为理论学家做更多的理论打开了大门，因为现在，有了这个系统，有可能通过实验验证这项工作，”卢金说。

证明和使用量子纠缠

数据中心的微型梳子可以提高数据传输的速度;在卫星上，它们可以提供更精确的GPS或分析遥远物体的化学成分。Vu?kovi?团队对某些类型的量子计算中孤子的潜力特别感兴趣，因为据预测，孤子一旦产生就会高度纠缠。

借助他们的平台，以及从量子角度进行研究的能力，纳米尺度和量子光子学实验室的研究人员对他们接下来可以做什么持开放态度。在他们的想法列表中，排在前几位的是对他们的系统进行测量以明确证明量子纠缠的可能性。