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中國科大首次實現天文尺度的量子干涉

時間:2019-09-02 18:14:41 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等和浙江大學王大偉、美國普林斯頓大學Marlan Scully、德國維爾茲堡大學Sven Hofling、美國路易斯安那州立大學Jonathan Dowling、上海紐約大學Tim Byrnes合作,在國際上首次實驗觀察到量子點單光子和太陽光之間的雙光子干涉、量子糾纏以及非定域性。該研究工作把獨立光子之間的量子干涉實驗擴展到相距1.5億公里的兩個獨立光源,首次在天文學尺度上檢驗了量子統計原理的普適性,并給出了熱光場量子化的直接實驗證據。這一研究成果近日以“編輯推薦”的形式發表于國際權威學術期刊《物理評論快報》。


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  獨立光子之間的量子干涉是很多量子信息技術的基礎。這個現象無法用經典的電磁波理論解釋,而必須把光場量子化處理。1997年以來,潘建偉和同事們通過對單光子空間、頻率和時間等量子態的相干操縱和精確濾波,在國際上引領了多光子糾纏和干涉獨立的發展,并系統性地把它應用于量子隱形傳態、遠距離量子通信、現實條件下安全的量子密鑰分發、光學量子計算等。目前,國際上報道的研究工作已實現了多種光源間的量子干涉,包括參量下轉換、離子阱、冷原子系綜、量子點等。實現獨立性越來越高、距離越來越遠的光源間的量子干涉,可以為量子力學基礎檢驗和長距離量子通信等應用提供新的平臺。


  中國科大研究團隊首次提出用太陽這一天然的遠距離熱光源進行量子光學實驗。為了清晰地觀察到高對比度的量子干涉,實驗的主要挑戰在于發展高性能單光子源和多自由度量子擦除技術。潘建偉、陸朝陽等通過脈沖共振激發微腔耦合的單量子點,制備了國際上單偏振、高效率、高純度和高全同的綜合性能最優的單光子源。在基礎上,團隊發展了超窄帶濾波、超快時間甄別、探測門控、單模空間濾波等一整套量子擦除技術,實驗觀測到了超過50%的經典極限的高達80%的干涉對比度,清晰地證實了熱光的量子化性質,在天文單位的尺度上檢驗了量子玻色統計原理的普適性。進一步,研究團隊制備了太陽光光子和量子點單光子之間的保真度達0.826的糾纏態,并利用這一無共同歷史來源的糾纏光子對進行了貝爾不等式檢驗,實驗得到了大于3倍標準偏差的違背,再一次驗證了量子力學的非定域性。


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  國際評審專家評價了這一工作是“一個極具吸引力的實驗”(a fascinating experiment),“一個里程碑式的實驗,第一次探索了來自星光的量子現象”(a milestone experiment and explores for the first time quantum effects using light from stars)。“一個非凡的成就,可能對未來的研究產生巨大的影響……打開了探索全新現象的道路。”(a remarkable achievement. It could have a big impact on future researchandthus will open the way to probe entirely new effects)。英國物理學會Physics World網站、美國物理學會的Physics雜志、美國光學學會的Optics & Photonics News雜志、Phys.Org等國際權威學術和科普媒體該工作進行了專題亮點報道。


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  該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院、安徽省、上海市科委、教育部等單位的支持。


  論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.080401


  英國物理學會Physics World報道:https://physicsworld.com/a/quantum-sunlight-experiment-could-shed-light-on-stellar-astrophysics/


  美國物理學會的Physics報道:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.080401


  美國光學學會報道:http://www.osa-opn.org/home/newsroom/2019/august/quantum_experiments_reach_for_the_sun/


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