首款高精度量子糾纏光學濾波器問世

科技日報北京4月7日電 （記者張夢然）美國南加州大學團隊在最新一期《科學》雜誌上發表研究，介紹了他們開發的首個能隔離噪聲並保留量子糾纏的光學濾波器。這一進展為開發緊湊且高性能的糾纏系統打下基礎，這些系統可集成到量子光子電路中，從而支持更加可靠的量子計算架構和通信網絡。

量子糾纏是一種現象，其中兩個或多個粒子相互關聯，以至於一個粒子的狀態會立即影響其他粒子的狀態，無論它們之間相距多遠。這種特性對於實現大規模並行計算、安全信息傳輸以及超越傳統系統的傳感器靈敏度至關重要。然而，量子糾纏非常脆弱，容易受到噪聲或錯誤的影響，這限制了它們的實際應用。

此次，研究團隊創造了一種新型光學濾波器。這種濾波器基於激光寫入的玻璃光通道（波導）排列而成，能像雕塑家去除多餘材料一樣，濾去所有不必要的成分，僅保留純淨的糾纏狀態。不論入射光如何被降解或混合，該設備都能有效去除不需要的部分，只留下關鍵的量子相關性。

這項突破的核心在於一種名為反奇偶校驗時間（APT）對稱性的理論物理學概念的應用。與傳統的光學系統不同，後者旨在避免損失並保持對稱性，APT對稱系統則以精確且可控的方式接受損失。通過將這種設計巧妙地結合到耗散與干涉能力之中，系統提供了一種獨特的方法來控制光的行為，開闢了操縱光的新途徑。

團隊將APT對稱性嵌入到專門設計的光波導網絡中，創建了一個結構，它自然地過濾掉噪聲，並引導系統進入穩定的糾纏狀態。實驗利用南加州大學實驗室生成的單光子和糾纏光子對進行測試，結果顯示，經過APT對稱糾纏濾波器處理後，使用量子層析成像技術重建的輸出狀態證實了濾波器能以超過99%的保真度恢復所需的糾纏態。

這一成果標誌着向實用化量子技術邁出了重要一步。

【總編輯圈點】

量子糾纏被稱為幽靈般的“超距作用”，但這種作用又很“脆弱”，容易受到噪聲和錯誤的影響。此次，科研人員基於反奇偶校驗時間（APT）這一理論物理學概念，開發出一款能隔離和保留量子糾纏的光學濾波器。他們的設計主動利用可控的損耗來控制光的行為，精準過濾影響量子糾纏的“噪聲”。量子糾纏的脆弱性長期制約其實際應用，濾波器實現了主動隔離，為量子計算機、量子通信等提供了“淨化功能”，讓量子技術朝實用化邁出堅實一步。