量子飞跃：光与声纠缠的创新突破

诸平

Fog. 1 Artist’s view of entangled laser light with a traveling sound wave in an integrated photonic waveguide. Credit: Alexandra Genes

Fig. 2 The team in the laboratory: Birgit Stiller, Changlong Zhu and Claudiu Genes. Credit: Susanne Viezens

据德国马克斯·普朗克光科学研究所（Max Planck Institute for the Science of Light简称MPL, Staudtstraße 2, D-91058 Erlangen, Germany）2024年11月16日提供的消息，量子飞跃：光与声纠缠的创新突破（Quantum Leap: Innovative Breakthrough in Entangling Light and Sound）。

马克斯-普朗克研究所(Max-Planck-Institute)的科学家们采用了一种新的量子纠缠方法，利用布里渊散射（Brillouin scattering）将光子（photons）与声子（acoustic phonons）连接起来，提高了稳定性，并在更高的温度下工作。

量子纠缠（Quantum entanglement）对于包括安全量子通信和量子计算在内的许多尖端量子技术至关重要。马克斯-普朗克光科学研究所（MPL）的研究人员开发了一种有效的新方法，可以将光子与声子纠缠在一起。他们的方法克服了量子技术易受外部噪声影响的最大挑战之一。这项开创性的研究于2024年11月13日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站发表，为鲁棒量子系统（robust quantum systems）开辟了新的可能性。原文详见：Changlong Zhu, Claudiu Genes, Birgit Stiller. Optoacoustic Entanglement in a Continuous Brillouin-Active Solid State System. Physical Review Letters, 2024, 133: 203602. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203602. Published 13 November 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.203602

参与此项研究的除了来自德国MPL的研究人员之外，还有来自德国弗里德里希-亚历山大 埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Staudtstraße 7, D-91058 Erlangen, Germany）的研究人员。

探索光声纠缠（Exploring Optoacoustic Entanglement）

量子纠缠是一种现象，粒子变得如此相互联系，以至于一个粒子的状态会立即影响另一个粒子，而不管它们之间的距离有多远。这一特性对于实现安全数据传输和高维量子计算至关重要。光子作为光的粒子，由于其速度和可靠性，非常适合携带量子信息，并且通过非线性光学进行光子纠缠已经是一种成熟的技术。

然而，MPL的科学家们现在通过实现光子和声子之间的纠缠，扩展了这一概念。利用布里渊散射，他们创造了一种高弹性的光声纠缠方法，可以在高温环境中工作。这一进步不仅拓宽了量子技术的范围，而且使其在集成到现实世界系统中更加实用。

历史背景和技术影响（Historical Context and Technological Implications）

爱因斯坦称之为幽灵般的超距作用（“spooky action at a distance”）。历史上，纠缠在许多不同的层面上都令人着迷，因为它与我们对自然基本定律的理解密切相关。粒子之间的量子相关性即使相隔很远也能持续存在。在实际层面上，量子纠缠是许多新兴量子技术的核心。在光学领域，光子纠缠是保证量子通信方法或量子计算方案安全的基础。然而，光子是易挥发的。因此，人们正在为某些应用寻找可行的替代方案，例如量子存储器或量子中继器方案（quantum repeater schemes）。其中一个替代方案是声学领域，其中量子存储在声波（acoustic or sound waves）中。

量子相互作用的实际进展（Practical Advancements in Quantum Interaction）

MPL的科学家们现在指出了一种特别有效的方法，可以使光子与声子纠缠在一起：当两个量子沿着相同的光子结构运动时，声子的运动速度要慢得多。潜在的效应是被称为布里渊-曼德尔施塔姆散射（Brillouin-Mandelstam scattering）的光学非线性效应。它负责在根本不同的能量尺度上耦合量子。

在他们的研究中，科学家们表明，提出的纠缠方案可以在几十开尔文的温度下运行。这比标准方法所需温度要高得多，标准方法通常使用昂贵的设备，如稀释冰箱（dilution fridges）。在光纤或光子集成芯片中实现这一概念的可能性，使得这种机制在现代量子技术中的应用特别有趣。

本研究得到了德国马普学会（Max-Planck-Society through the independent Max Planck Research Groups Scheme）和德国研究基金会{Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation)—Project-ID 429529648—TRR 306 QuCoLiMa (“Quantum Cooperativity of Light and Matter”)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

MPL scientists find a new way of entangling light and sound

Abstract

Entanglement in hybrid quantum systems comprised of fundamentally different degrees of freedom, such as light and mechanics, is of interest for a wide range of applications in quantum technologies. Here, we propose to engineer bipartite entanglement between traveling acoustic phonons in a Brillouin active solid state system and the accompanying light wave. The effect is achieved by applying optical pump pulses to state-of-the-art waveguides, exciting a Brillouin Stokes process. This pulsed approach, in a system operating in a regime orthogonal to standard optomechanical setups, allows for the generation of entangled photon-phonon pairs, resilient to thermal fluctuations. We propose an experimental platform where readout of the optoacoustics entanglement is done by the simultaneous detection of Stokes and anti-Stokes photons in a two-pump configuration. The proposed mechanism presents an important feature in that it does not require initial preparation of the quantum ground state of the phonon mode.