光学干涉仪实现硅空位中心的量子纠缠
量子网络是一种通过光纤传输量子比特的光学网络技术，能够实现防篡改的安全通信。基于合成钻石芯片的硅空位中心因其天然发光特性、小型化、固态结构及易于大规模生产等优势，成为量子网络的重要硬件实现方案。然而，这些中心存在一个严重缺陷：它们倾向于发射不同频率的光，导致量子信息交换困难。
去年，某中心量子计算中心与哈佛大学、汉堡大学、汉堡超快成像中心及耶路撒冷希伯来大学的研究团队合作，提出了一种突破性技术来解决这一问题。相关研究成果将以《可区分量子发射器的光学纠缠》为题发表于《物理评论快报》。
量子网络与硅空位中心的作用
量子网络通过单光子传输量子比特，最初应用于生成安全加密密钥。随着带宽和吞吐量的提升，该技术可实现隐私保护计算——用户无需公开数据或程序即可在远程量子计算机上执行计算。
硅空位中心作为量子存储器，能够捕获光线、进行路由和量子操作。与传统需要大型设备的原子或离子阱系统不同，钻石芯片的小型化特性使其更具实用性。
解决波长不匹配的创新方案
硅空位中心的主要挑战在于发射波长不一致，导致不同节点间难以通信。研究团队基于90年代的Elitzur-Vaidman炸弹测试思想实验，开发出频率分割干涉技术：
- 量子干涉原理：通过干涉仪将激光束分为两路后再合并，当路径长度相同时，光束会在特定方向相互抵消
- 单光子行为：即使每次只发送单个光子，粒子仍会表现出自我干涉的量子特性
- 无接触探测：通过检测光子输出端口的变化，可推断路径是否被阻断而无需实际接触
实现安全通信的量子纠缠
研究团队将空间路径干涉转换为频率域干涉：
- 两个硅空位中心根据其量子状态阻断或允许光通过
- 当两个中心状态相同时（均允许或均阻断），组合频率无光输出
- 当状态不同时，组合频率产生光输出并生成量子纠缠
这种纠缠状态使得：
- 通信双方可验证信道安全性
- 任何窃听行为都会改变量子比特状态，从而暴露存在
- 通过统计信息比对可确保通信不受第三方干扰
该技术为构建实用化量子网络提供了关键解决方案，推动了安全量子通信的发展。