微波和光子的首次纠缠

量子纠缠是一种奇妙的量子力学现象，它表明两个或多个物理系统之间可以存在一种超越经典物理的关联。这种关联意味着，当我们对其中一个系统进行测量时，我们就可以立即知道另一个系统的状态，即使它们相隔很远，也不需要任何信号传递。这种现象被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，他认为它是量子力学不完备的证据。但是后来的实验表明，量子纠缠是真实存在的，并且没有违反任何物理定律。

量子纠缠不仅是一种神奇的现象，也是一种非常有用的资源。在目前正在发展的量子技术中，量子纠缠可以用来实现量子通信、量子计算、量子密码、量子计量等功能。例如，通过在两个远程的量子节点之间分配纠缠，我们就可以实现安全的信息传输、高效的算法运行、精确的参数估计等。

要实现这些功能，我们需要能够在不同的物理平台之间共享和转移量子纠缠。例如，我们可以用原子、离子、原子集合、量子点、稀土离子或氮空位中心等系统来存储和处理量子信息，然后用光子来在它们之间传输量子信息。这样的方案已经被用来实现了不同平台之间的远程量子纠缠。但是，对于基于微波的平台，如半导体自旋量子比特或超导电路，要实现这样的连接就比较困难了，因为它们没有与传播光子之间的自然接口。微波和光之间存在着巨大的能量差异，导致了相互之间的损耗和噪声。

为了克服这个限制，目前的研究集中在开发微波和光之间的相干量子转换器。直接的无噪声转换是非常困难的，因为它需要满足很多严格的条件，如能量守恒、动量守恒、相位匹配等。因此，目前的方案都是利用中间系统来实现转换，如机械振子、声子、磁子、原子等。这些方案都有各自的优缺点，但是都还没有实现微波和光之间的量子纠缠。

发表在《科学》杂志上的一篇论文采用了一种新颖的方法来实现微波和光之间的量子纠缠。它使用了一个超导电光器件，它由一个厚度为150微米的铌酸锂光学谐振腔放置在一个超导铝微波腔内，工作在7毫开尔文的温度下。微波模式通过电光效应与光学模式耦合，形成了一个混合模式。通过对光学模式施加一个强度调制的激光脉冲，可以在微波和光之间产生非线性相互作用，并且可以控制相互作用的强度和时间。

作者利用这个装置，实现了一种称为“双边调制”的技术，它可以在两个传播场之间产生连续变量域的纠缠。具体来说，他们首先将一个单模态压缩的微波场输入到装置中，然后通过双边调制将其转换为一个双模态压缩态的微波-光场，并将其输出到两个不同频段的探测器上。通过测量两个场的幅度和相位差分二次谐波信号，并计算其协方差矩阵，可以证明这个输出状态是纠缠的。

作者使用了两种方法来验证纠缠：一种是基于杜安-西蒙不可分离性判据，另一种是基于基于熵不等式。他们发现，在30次重复实验中，有28次满足杜安-西蒙判据，有26次满足熵不等式。他们还估计了输出状态的压缩度为0.72±0.31分贝，并分析了主要的误差来源。

这篇论文是第一次在毫开尔文环境中实现了微波和光之间的量子纠缠，为超导电路和光通信之间的量子连接打开了新的可能性。这不仅可以用来实现模块化、可扩展、灵活的混合量子网络，也可以用来实现新的量子传感、量子计量和跨平台验证的应用。此外，这种基于双边调制的技术还可以用来实现更复杂的量子态的制备和操作，如高斯纠缠态、非高斯纠缠态、纠缠交换等。

这篇论文是一个重要的里程碑，但是还有很多工作需要做。例如，如何提高纠缠的质量和效率，如何实现长距离的传输和存储，如何与其他平台进行兼容和集成等。我相信，在未来的研究中，我们会看到更多的进展和突破，让我们期待吧！