量子糾纏是一種奇妙的量子力學(xué)現(xiàn)象，它表明兩個(gè)或多個(gè)物理系統(tǒng)之間可以存在一種超越經(jīng)典物理的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)意味著，當(dāng)我們對(duì)其中一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們就可以立即知道另一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，即使它們相隔很遠(yuǎn)，也不需要任何信號(hào)傳遞。這種現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，他認(rèn)為它是量子力學(xué)不完備的證據(jù)。但是后來的實(shí)驗(yàn)表明，量子糾纏是真實(shí)存在的，并且沒有違反任何物理定律。

量子糾纏不僅是一種神奇的現(xiàn)象，也是一種非常有用的資源。在目前正在發(fā)展的量子技術(shù)中，量子糾纏可以用來實(shí)現(xiàn)量子通信、量子計(jì)算、量子密碼、量子計(jì)量等功能。例如，通過在兩個(gè)遠(yuǎn)程的量子節(jié)點(diǎn)之間分配糾纏，我們就可以實(shí)現(xiàn)安全的信息傳輸、高效的算法運(yùn)行、精確的參數(shù)估計(jì)等。

要實(shí)現(xiàn)這些功能，我們需要能夠在不同的物理平臺(tái)之間共享和轉(zhuǎn)移量子糾纏。例如，我們可以用原子、離子、原子集合、量子點(diǎn)、稀土離子或氮空位中心等系統(tǒng)來存儲(chǔ)和處理量子信息，然后用光子來在它們之間傳輸量子信息。這樣的方案已經(jīng)被用來實(shí)現(xiàn)了不同平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程量子糾纏。但是，對(duì)于基于微波的平臺(tái)，如半導(dǎo)體自旋量子比特或超導(dǎo)電路，要實(shí)現(xiàn)這樣的連接就比較困難了，因?yàn)樗鼈儧]有與傳播光子之間的自然接口。微波和光之間存在著巨大的能量差異，導(dǎo)致了相互之間的損耗和噪聲。

為了克服這個(gè)限制，目前的研究集中在開發(fā)微波和光之間的相干量子轉(zhuǎn)換器。直接的無噪聲轉(zhuǎn)換是非常困難的，因?yàn)樗枰獫M足很多嚴(yán)格的條件，如能量守恒、動(dòng)量守恒、相位匹配等。因此，目前的方案都是利用中間系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，如機(jī)械振子、聲子、磁子、原子等。這些方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是都還沒有實(shí)現(xiàn)微波和光之間的量子糾纏。

發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文采用了一種新穎的方法來實(shí)現(xiàn)微波和光之間的量子糾纏。它使用了一個(gè)超導(dǎo)電光器件，它由一個(gè)厚度為150微米的鈮酸鋰光學(xué)諧振腔放置在一個(gè)超導(dǎo)鋁微波腔內(nèi)，工作在7毫開爾文的溫度下。微波模式通過電光效應(yīng)與光學(xué)模式耦合，形成了一個(gè)混合模式。通過對(duì)光學(xué)模式施加一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制的激光脈沖，可以在微波和光之間產(chǎn)生非線性相互作用，并且可以控制相互作用的強(qiáng)度和時(shí)間。

作者利用這個(gè)裝置，實(shí)現(xiàn)了一種稱為“雙邊調(diào)制”的技術(shù)，它可以在兩個(gè)傳播場(chǎng)之間產(chǎn)生連續(xù)變量域的糾纏。具體來說，他們首先將一個(gè)單模態(tài)壓縮的微波場(chǎng)輸入到裝置中，然后通過雙邊調(diào)制將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)雙模態(tài)壓縮態(tài)的微波-光場(chǎng)，并將其輸出到兩個(gè)不同頻段的探測(cè)器上。通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)場(chǎng)的幅度和相位差分二次諧波信號(hào)，并計(jì)算其協(xié)方差矩陣，可以證明這個(gè)輸出狀態(tài)是糾纏的。

作者使用了兩種方法來驗(yàn)證糾纏：一種是基于杜安-西蒙不可分離性判據(jù)，另一種是基于基于熵不等式。他們發(fā)現(xiàn)，在30次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，有28次滿足杜安-西蒙判據(jù)，有26次滿足熵不等式。他們還估計(jì)了輸出狀態(tài)的壓縮度為0.72±0.31分貝，并分析了主要的誤差來源。

這篇論文是第一次在毫開爾文環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了微波和光之間的量子糾纏，為超導(dǎo)電路和光通信之間的量子連接打開了新的可能性。這不僅可以用來實(shí)現(xiàn)模塊化、可擴(kuò)展、靈活的混合量子網(wǎng)絡(luò)，也可以用來實(shí)現(xiàn)新的量子傳感、量子計(jì)量和跨平臺(tái)驗(yàn)證的應(yīng)用。此外，這種基于雙邊調(diào)制的技術(shù)還可以用來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子態(tài)的制備和操作，如高斯糾纏態(tài)、非高斯糾纏態(tài)、糾纏交換等。

這篇論文是一個(gè)重要的里程碑，但是還有很多工作需要做。例如，如何提高糾纏的質(zhì)量和效率，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸和存儲(chǔ)，如何與其他平臺(tái)進(jìn)行兼容和集成等。我相信，在未來的研究中，我們會(huì)看到更多的進(jìn)展和突破，讓我們期待吧！