中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及同事包小輝、江曉等在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了不同顏色獨(dú)立光子間的量子糾纏，解決了量子網(wǎng)絡(luò)中如何在不同頻率終端間進(jìn)行糾纏連接這一難題。

量子糾纏是量子信息科學(xué)中的重要資源。以往實(shí)驗(yàn)上有很多方法可產(chǎn)生糾纏光子，如利用非線(xiàn)性晶體內(nèi)的參量下轉(zhuǎn)化過(guò)程、原子體系內(nèi)的四波混頻過(guò)程等。不過(guò)通過(guò)這些方法只能局域地產(chǎn)生光子間的量子糾纏。然而在量子網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中需要將來(lái)自不同光源的獨(dú)立光子糾纏起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端間的糾纏連接。

目前雙光子干涉是實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光子間量子糾纏的最主要方法。不過(guò)雙光子干涉對(duì)入射光子有著非常嚴(yán)格的要求，即只有當(dāng)兩個(gè)光子具有同樣的顏色（頻率）時(shí)，才可以通過(guò)雙光子干涉來(lái)產(chǎn)生量子糾纏。然而在量子網(wǎng)絡(luò)中很多原因會(huì)導(dǎo)致不同終端發(fā)射的單光子具有不同的顏色，比如在量子點(diǎn)等人工物理體系中，每個(gè)量子點(diǎn)所處的環(huán)境因具有微小差別就會(huì)導(dǎo)致不同量子點(diǎn)的發(fā)光頻率具有較大的差異。此外，即使原本頻率一致的單光子也會(huì)由于平臺(tái)（星載或機(jī)載終端等）的高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其頻率發(fā)生移動(dòng)。因此，如何在不同頻率的獨(dú)立光子間建立量子糾纏成為了可升級(jí)量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展所急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

潘建偉小組在此研究工作中首次提出可采用時(shí)間分辨測(cè)量與主動(dòng)相位反饋相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率光子間的量子糾纏，并利用該小組近年來(lái)發(fā)展的窄帶量子光源平臺(tái)對(duì)此理論方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。他們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，入射光子間的頻率差異會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)間探測(cè)到的光子對(duì)具有不同的隨機(jī)相位，進(jìn)而導(dǎo)致兩個(gè)單光子無(wú)法糾纏起來(lái)。為此，他們發(fā)展一套高精度的時(shí)間分辨探測(cè)系統(tǒng)及高速相位反饋系統(tǒng)。時(shí)間分辨探測(cè)系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光子到達(dá)時(shí)間的精確測(cè)量，進(jìn)而對(duì)隨機(jī)相位漲落進(jìn)行跟蹤測(cè)量；高速相位反饋系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)糾纏光子態(tài)的內(nèi)部隨機(jī)相位進(jìn)行反饋控制。

通過(guò)采取這些技術(shù)手段，潘建偉小組成功地實(shí)現(xiàn)了將頻率相差為80MHz的兩個(gè)獨(dú)立光子糾纏起來(lái)，該頻率差別超過(guò)了每個(gè)入射光子各自頻率寬度的16倍之多。這一研究成果將在未來(lái)可升級(jí)量子網(wǎng)絡(luò)中有重要應(yīng)用，可用于解決不同量子點(diǎn)間、不同NV色心間、以及不同物理體系間等因具有不同的躍遷頻率而難以進(jìn)行糾纏連接的困難。