量子实验室系列之二丨量子纠缠到底是什么?情人节带你揭秘量子世界的神秘联系
今天是情人节,是表达爱意的日子。随着量子成为热门话题,人们喜欢将量子纠缠比作两个人心有灵犀,彼此心意相通,无论相隔多远,依然能感应到对方的情感。那么,量子纠缠到底是什么?
假设你有一对手套,一只左手套,一只右手套,分别装在两个盒子里,随机寄给地球两端的两个人。当一个人打开盒子发现是左手套,立刻知道另一人拿到的是右手套。这种“关联”看似神奇,但其实是手套本身的属性预先决定了结果。
现在,我们把手套换成“量子手套”:在打开盒子前,手套没有固定状态(既不是左手也不是右手)。当一个人打开盒子,手套随机变成左手或右手,同时另一只手套瞬间变成相反状态,这种瞬时关联称为“量子纠缠”。
量子纠缠的“反直觉”在于:在打开盒子前,手套的状态是不确定的,直到打开盒子才确定下来;这种关联是瞬时的,不受距离限制。
图1:量子纠缠示意图
爱因斯坦也觉得奇怪,甚至称其为“鬼魅般的超距作用”。然而,后来的无数次实验都证明了量子纠缠是真实存在的。如今,量子纠缠已成为推动量子信息科学发展的重要工具。
九章量子推出的桌面级量子纠缠系统,专为量子基础实验与前沿研究而设计,是量子实验教学的理想工具,让抽象的量子原理变得可见、可测、可实践。
图2:量子纠缠系统
一、工作原理
九章量子出品的量子纠缠系统通过非线性晶体的自发参量下转换(SPDC)过程产生纠缠光子对。根据采用的非线性晶体不同分为β相偏硼酸钡 (β-BaB2O4,BBO) 量子纠缠系统和周期极化磷酸氧钛钾 (periodically poled KTP,PPKTP) 量子纠缠系统。基于BBO的量子纠缠系统原理简单为目前主流的极化纠缠产生方式;基于PPKTP的量子纠缠系统拥有更高的单光子产生效率。
二、产品亮点
亮点一:自由度可供选择,既可开箱即用,也可自主调试
光路调试的自由度在实验教学中至关重要。我们的量子纠缠系统提供两种模式,满足不同用户需求:1)开箱即用模式:系统高度集成,所有光学组件和电子设备在出厂前经过严格校准,用户只需按照操作指南连接设备,即可直接进入实验,无需繁琐的光路调试。2)自主调试模式:提供更高自由度,允许用户根据实验需求调整光路,实现个性化优化,同时提升对光学系统的理解和动手实践能力。
亮点二:亮度是关键,实验效率的保障
纠缠光子对的生成速率低,导致实验数据的收集需要极长的时间。一场原本几十分钟就能完成的实验,可能因为光子不足拖延到数小时甚至数天。高亮度纠缠源不仅能减少实验时间,还能在短时间内获得更多的数据点,为验证实验结果提供统计支持。九章量子纠缠系统具备更高的单光子产生效率和收集效率,轻松满足从快速演示到深入研究的各种需求。
亮点三:数据实时分析与可视化,实验操作直观且高效
在量子纠缠实验中,数据采集与分析往往是一个复杂的过程,如果缺乏高效的软件系统支持,用户需要手动处理大量数据,耗时又容易出错。选择具备强大上位机软件的系统,确保操作简便、数据易导出,并支持数据实时分析与可视化。九章量子配套软件采用图形化界面设计,直观明了,即使初学者也能快速上手。实验参数设置一目了然,可动态调节,方便快速迭代实验。
亮点四:兼容与扩展,满足实验多样化需求
大多实验仪器往往只适合特定实验,缺乏灵活性。一旦研究方向需要扩展,现有系统可能就显得捉襟见肘。九章量子纠缠系统为更多的实验提供了可能性。支持多种模块扩展,涵盖单光子干涉、双光子干涉、量子隐形传态等实验,轻松实现从入门到高阶的过渡。
三、多款产品可供选择
九章量子出品的量子纠缠系统根据采用的非线性晶体不同,分为BBO纠缠系统和PPKTP纠缠系统,可满足不同层次的教学需求。帮助学生理解量子纠缠、贝尔不等式等核心概念,培养量子光学实验能力,复现2022年诺贝尔物理学奖相关成果——纠缠光子的制备与贝尔不等式检验。此外,我们还提供科研级双光子纠缠系统,同样分为BBO纠缠系统和PPKTP纠缠系统,适用于更深入的实验研究,满足进阶教学需求。
四、应用领域
- 量子力学基础实验:纠缠态的制备与测量、贝尔不等式检验等实验。
- 高校量子信息专业教学:量子纠缠是量子信息科学的核心资源,在量子通信、量子计算和量子精密测量等核心课程中具有重要应用。
- 中学量子科普教育:通过量子纠缠实验的直观演示,激发学生对量子科学的兴趣,帮助他们理解量子世界的奇特现象。
- 公众演示:如科技馆、科普展览和研学活动,让更多人了解量子信息技术的发展与应用。
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