马克斯普朗克量子光学研究所的物理学家已经成功地以明确的方式有效地纠缠了十几个光子。因此，他们正在为新型量子计算机奠定基础。他们的研究发表在《自然》杂志上。

量子世界的现象，从普通的日常世界的角度来看，往往看起来很奇怪，但早已找到了进入技术的途径。例如，纠缠：粒子之间的量子物理连接，以一种奇怪的方式在任意长的距离上连接它们。例如，它可以用于量子计算机——与传统计算机不同，它可以同时执行大量数学运算的计算机。然而，为了有利地使用量子计算机，大量的纠缠粒子必须协同工作。它们是计算的基本元素，即所谓的量子比特。

“光子，即光的粒子，特别适合这种情况，因为它们本质上很坚固并且易于操作，”位于慕尼黑附近加兴的马克斯普朗克量子光学研究所 (MPQ) 的博士生菲利普托马斯说。现在，他与 Gerhard Rempe 教授领导的量子动力学部门的同事一起，成功地朝着使光子可用于量子计算等技术应用迈出了重要一步：该团队第一次在方法明确，效率高。

一个原子作为光子源

“这个实验的诀窍是我们使用单个原子发射光子并以非常特定的方式将它们交织在一起，”托马斯说。为了做到这一点，马克斯普朗克的研究人员将一个铷原子放置在一个光学腔的中心——一种用于电磁波的回声室。使用一定频率的激光，可以精确地处理原子的状态。使用额外的控制脉冲，研究人员还专门触发了与原子量子态纠缠的光子的发射。

“我们以先前确定的方式多次重复了这个过程，”托马斯报告说。在这两者之间，原子以某种方式被操纵——用技术术语来说：旋转。通过这种方式，可以创建一个由多达 14 个轻粒子组成的链，这些粒子通过原子旋转相互纠缠并进入所需的状态。“据我们所知，14 个相互连接的光粒子是迄今为止在实验室中产生的最多数量的纠缠光子，”Thomas 说。

确定性生成过程

但是，不仅纠缠光子的数量标志着向强大量子计算机的发展迈出了重要一步——它们的产生方式也与传统方法有很大不同。“因为光子链是从单个原子中产生的，所以它可以以一种确定的方式产生，”Thomas 解释说。这意味着：原则上，每个控制脉冲实际上都会传递一个具有所需特性的光子。到目前为止，光子的纠缠通常发生在特殊的非线性晶体中。缺点：在那里，光粒子本质上是随机创建的，并且无法控制。这也限制了可以捆绑成一个集体状态的粒子数量。

另一方面，Garching 团队使用的方法基本上允许生成任意数量的纠缠光子。此外，该方法特别有效——这是未来可能的技术应用的另一个重要措施：“通过测量产生的光子链，我们能够证明效率接近 50%，”Philip Thomas 说。这意味着铷原子上几乎每一秒“按一下按钮”都会传递一个可用的光粒子——远远超过之前的实验。“总而言之，我们的工作消除了通往可扩展、基于测量的量子计算道路上长期存在的障碍，”部门主管 Gerhard Rempe 说。

为量子通信提供更多空间

MPQ 的科学家们想要消除另一个障碍。例如，复杂的计算操作将需要至少两个原子作为谐振器中的光子源。量子物理学家谈到二维簇状态。“我们已经在努力解决这项任务，”菲利普托马斯说。

马克斯普朗克研究人员还强调，可能的技术应用远远超出量子计算：“另一个应用示例是量子通信”——信息的防窃听传输，例如通过光纤中的光。在那里，由于散射和吸收等光学效应，光在传播过程中会遭受不可避免的损失——这限制了数据传输的距离。使用 Garching 开发的方法，量子信息可以封装在纠缠的光子中，并且还可以承受一定量的光损失，并实现更远距离的安全通信。