纠缠是一种量子古怪的显著例子。每个粒子在一对纠缠包含的信息是完全随机的,却完全与它的合作伙伴。这些量子关联违反当地的现实主义,它可以被描述为两个假设:
在我们的实验室,我们可以进行一系列的测量上纠缠光子源为了证明违反当地的现实主义。这个实验叫做贝尔测试。从上面的插图“神秘的量子蛋糕”,这解释了贝尔的想法在一个直观的方式进行测试。
问题在于,一些假设进入这个实验,为当地的现实主义留下了漏洞。两个主要的漏洞是“检测”和“时机。“单光子探测器并不完美,甚至最好的会错过一些分数的光子。关闭检测漏洞,这个分数必须足够小,以确保光子我们没有检测不能改变结果。关闭时间漏洞,测量设备,分析每个在一对纠缠光子必须得足够远,它们之间旅行一个信号以光的速度最快,任何信息都可以旅行可能不会改变结果。
这两个漏洞已经关闭独立在2015年。几个实验,包括一个由NIST之间的合作,我们的团队,和其他几个机构,于2015年首次同时关闭两个漏洞。(见上面的最近的出版物和新闻)。
我们2013年的数据detection-loophole-free碳氢键贝尔测试(b·g·克里斯滕森et al .物理。启。111,130406 (2013))是公开的,可以从下面的链接下载。附带的数据组织是解释文本文件。数据文件大小大约是280 MB。任何问题或意见请直接布拉德利·克里斯滕森(bgchris2@illinois.edu)。
许多量子信息协议要求通讯双方(Alice和Bob)分享纠缠,通常在纯粹的形式,最大限度地纠缠。在未来的量子通信网络,这些纠缠对可能产生在一个中央位置和分发给用户。这个共享纠缠的质量可能会退化通过嘈杂的渠道传播,这将影响系统的性能。使用前产生的噪声量子信息任务的纠缠,爱丽丝和鲍勃会想蒸馏:恢复尽可能多的最大纠缠态双只使用本地操作(他们可以执行任何操作在各自的量子位)和经典通信(他们可以互相交流关于业务执行和测量结果)。他们是否可以提取最大纠缠,据说是distillable吵闹的状态。
Distillability提供的一个例子如何纠缠变得越来越复杂的在更高的维度:所有纠缠⊗2 (two-qubit)州和2⊗3(一个量子位,一个三级系统)可以蒸馏。然而,在更高的维度(每个粒子粒子或更多自由度)存在undistillable纠缠。这一现象,称为束缚纠缠,一直在观察到离子被困在线性光学系统和模拟系统。Bound-entangled州显然是不适合直接使用在最著名的量子信息任务,但他们有许多其他潜在的应用。更重要的是,他们的根本利益。
斯莫林状态程序(bound-entangled状态。我们已经建立了一个源(见纠缠的来源为背景)产生这种状态编码量子位的偏振和轨道角动量光子对。右边的图显示了我们如何使用可以使用这些自由度为量子比特定义逻辑0和1的状态。一旦完成,这将是第一个真实的示范束缚纠缠的光子系统。
如果你设置一个经典壶水在炉子上,看着它,它最终将煮;不过不会这样量子锅。量子芝诺效应是矛盾的现象,你可以“冻结”一个量子态在当前配置通过反复测量,即一旦量子态测量并假定一个明确的状态,你可以阻止它发展除此之外的国家通过不断通过测量投射回来。
我们实验证明的量子芝诺效应表明,将会有更少的国家衰变重复时,介绍了投影测量衰减系统,而当没有测量。在这一过程中,我们可以了解更多关于使用测量的想法限制国家衰退的严重性当传输量子态。
了解我们如何展示效果,考虑下面的例子:
假设我们有一束光,穿越空间,达到一个目标。
如果我们添加一些碎片折射材料在整个路径,这种光束的空间模式将逐渐从原始位置。足够数量的扰动之后,它将不再击中目标!
现在假设我们中心的针孔第一折射后镇定的梁板的位置。虽然梁已经超出了原来的位置,一点点的光将穿过针孔,预计恢复到初始空间状态!如果我们重复项目的空间模式梁回到原来的状态,原始的一小部分光最终会达到目标。因此,量子芝诺效应!
有大约一千亿个光子在一个明亮的房间里。只有一个光子,你想象的调光光源,直到光子出来一次。但光源如灯泡,发光二极管,激光,和太阳都有一个共同点:它们发出光子随机。如果你想预测到底有多少光子将在一秒钟发出,最好的你能做的是计算一个概率分布。即使源非常昏暗,很难保证只有一个光子会发出。在许多量子信息实验,“光子炮”——一个源,一次只放出一个光子——会更有用。
更好,更具挑战性,是一个光子炮可以发射。我们工程高效的单光子源,可以用于量子信息应用程序包括量子密码学和光学量子计算。
一个用于创建单个光子的常用技术是利用自发参量downconversion (SPDC)其中包括泵与激光非线性晶体。一个非线性的过程转化为低能量的高能光子注入对女儿光子(“信号”和“空转”)。守恒定律要求女儿都成对产生光子,所以如果我们检测的存在,我们知道在确定它的合作伙伴也已被创建。因此,尽管信号光子检测后予以销毁,空转光子现在“预示”和量子信息应用程序中使用。这种来源是“预示单光子源”的一个例子(休克)。
然而,这种技术有重大缺陷,防止其大规模采用光学量子信息处理。通过downconversion纠缠对创作是一个概率的过程所以只有一定分数的泵脉冲会产生光子对,防止单个光子的按需创建。
这是事实,进一步加剧了这种纠缠对生成的概率依赖于抽运功率。一泵SPDC源越努力,就越有可能生成一对光子。然而,这也会增加一次创建多个光子对的概率。因为我们只需要单一的对,我们通过泵抑制multi-pair概率水晶以较低的权力。这限制了单光子产生率,防止这种技术被部署在大尺度。
为了解决这些传统热休克的主要缺点,我们利用time-multiplexing技术。每个time-multiplexing周期包括抽水SPDC水晶与固定数量的低能量脉冲,multiple-pair概率是抑制。所以即使对应生成一个对的概率很低,有一个高概率的至少一个泵在多路复用周期的脉冲产生的光子对。当检测到信号光子在一个多路复用周期,我们知道其合作伙伴(惰光子)也被创建。然后我们使用预示着信号激活一个光开关将惰光子成变长存储循环。光子自SPDC是一个概率的过程,在不同的时间将会出现在每个多路复用周期。与我们的可调循环,我们可以选择光子存储时间,释放的光子总是在每个time-multiplexing周期。这产生一个高概率的单个光子在预定的时间,同时减少生产的概率超过一个光子-光子炮可以发射。
我们演示了66.7 + / - 2.4%存在单个光子的概率国家收集到的单模光纤多路复用40定期注入事件,一个10倍增强non-multiplexed热休克。我们目前专注于提高性能的源通过增加多路复用重复率与更快的光学开关和改善预示着性能高效的超导纳米线单光子探测器。我们也开始开发辅助硬件多路分解的单光子源(收集在一个空间模式)到个人空间的量子信息处理模式应用程序中。
纠缠、非经典的非本地“连接”,可以之间存在粒子,是许多量子信息的应用程序的基础。我们构建并继续改善世界上最纯粹、最聪明的纠缠光子源,使用过程中自发参量downconversion在非线性光学晶体。
我们polarization-entanglement源(左)使用两个背靠背等非线性晶体。高能紫外线泵进入其中一个光子晶体有一个小(约十亿分之一)分裂成两个红色低能光子的机会。第一个水晶将单一水平极化父光子转换成两个垂直偏振光子的女儿;第二个单身父母垂直偏振光子转换成两个水平极化光子的女儿。通过发送一个水平和垂直叠加光(光在45度)到这些晶体,我们获得一个叠加两个光子水平和两个垂直降频转换器:纠缠。在这种状态下,光子都没有任何明确的极化几乎只要测量光子的极化,极化的另一种是立即决定,不管它有多远。
我们的论文在优化i型polarization-entangled光子(迈克尔·库马拉斯Rangarajan周二郭金和保罗Kwiat、光学表达(2009))讨论了空间和时间相位补偿技术来提高纠缠源的质量。时空的原始论文和必要的文件中包含相位补偿计算这个. zip文件。有关详细信息,请参阅Read_ME文件,包括纸。
当我们走向真正的实现这些和其他来源量子信息协议外,大部分光学可以资源密集型和不稳定的实验室。相反,集成光学非线性波导允许我们把这些大型,复杂的设置,使小型化集成在一个芯片中,足够光线上容易实现无人驾驶飞机和足够稳定,进入太空。在我们组,我们正在开发一个高度非简并polarization-entangled光子对的来源periodically-poled KTP波导芯片。我们当前的设计需要一个水平极化532 nm父光子和降频转换器到810 nm的女儿光子光子和一个1550 nm的女儿。源也使用二型相位匹配,这仅仅意味着我们的女儿在正交偏振光子产生;如果810 nm光子是垂直极化,然后1550 nm光子将水平极化。未来的设计也包括PPLN-based芯片和/或退化downconversion对。
我们还扩大了如何纠缠光子的范围。通过泵激光在非线性晶体,我们的第一个示例演示了hyperentanglement-photons纠缠在每一个自由度。这些光子偏振纠缠,轨道角动量和发射时间。
更多的纠缠量子信息应用程序并不总是更好。downconversion来源通常是用于生产在极化光子纠缠,但还可以创建不必要的能源和空间关联模式。这些多余的相关性降低纠缠的纯度对,也导致了单个光子在混合状态,防止干扰之间的光子量子信息的应用程序依赖于从不同的来源。
用群速度匹配和广泛的带宽泵,我们开发了一个“工程”纯源比来源,战斗与光谱过滤不必要的纠缠。右边的图显示了一个示例的联合谱测量光子对的设计来源,这表现出弱光谱相关性。
量子信息协议和计算算法需要特定的输入状态,研究人员需要一种方法来验证输入状态调查特定的应用程序。
在数字电子技术中,输入的逻辑电路可以验证通过测量电压在几个点。这个方法行不通量子输入状态。例如,测量一个一对纠缠光子将揭示光子测量后的状态,但不会纠缠。这样的测量也会给不同的结果时,重复很多次。可以确定一个系统的量子态,使足够的正确的测量。通过观察一个给定的量子态从几个不同的“方向”(投射到几个不同的基地),我们能够实现量子断层,学习状态看起来每一个方向。
量子计算是通过精确的量子比特的操作。这些操作可以使用量子过程层析成象的特点(QPT)。QPT的一个方法是将一个过程应用到许多已知和相同的量子态,然后使用量子态断层扫描来确定输出状态。然而,该方法所需测量的数量呈指数级增长,16岁N,其中N是量子位的数量。纠缠光子对可以用来减少所需的测量量子过程层析成象,因为每个测量在一个纠缠光子对其合作伙伴显示额外的信息。直接表征量子动力学(DCQD)使用一组特定的优化纠缠态作为输入过程。通过测量输出,可以重建一个流程没有执行一个完整的国家断层扫描,减少测量4N。
不幸的是,4N测量所需DCQD(输出)的完整Bell-state分析已知标准光学量子位的是不可能的。然而,使用量子比特纠缠在一个以上的自由度(hyperentangled)克服这个限制,并允许DCQD的全面实施。我们获得第一个实验结果使用光子纠缠在多个自由度DCQD描述单光子过程。我们计划扩展这个实验装置描述各种multi-qubit流程,演示的能力描述某些散屑过程在一个单一的测量。
目前正在开发的部分
很多量子信息应用程序都需要低损耗,state-preserving光子存储设备。例如,量子存储器的一个基本组成部分量子中继器,这使得量子通信可靠的对不完美的传导渠道任意距离。记忆也可以作为单光子源的一个组成部分(如我们在实验室建立的)。
存储系统我们正在开发依靠一系列的三个空间存储蛀牙。腔由一个循环与一个固定的光学路径长度,由一个普克尔斯盒“开关”和偏振分束器。当光子水平极化,它反射偏振分光板和存储在循环;一旦我们把光子偏振垂直,光子传输而不是反映,随后被释放。腔的概念并不新鲜——光学腔通常是用于存储设备在各种实验设备。然而,每个循环的传播往往受限于传输损失普克尔斯盒(~ 3 - 4%损耗),所以循环的最大数量是有限的。
克服光学腔输电损耗,我们已经配置了一个系统的三个循环不同长度:12.5 ns 125 ns, 1.25μs。通过使用三个循环,我们可以存储单个光子效率高/变量延迟(N x 12.5 ns, 1 = N = 999)。我们的系统建立的理论带宽在+ / - 70海里。如果我们假设一个操作波长690纳米,这给了我们估计5 x10 ^ 8(40太赫兹x 12.5μs)为我们的时间带宽积,这是几个数量级高于典型基于记忆原子的集合体或固态方法。
因为我们希望能够光量子信息存储在不同的自由度,即。、偏振、时间、空间模式,等等,我们需要一个转换方法极化量子位time-bin量子位,可以存储在上述内存。我们已经建立了一个极化time-qubit传感器为了这个目的,我们可以叠加水平和垂直极化转换为两种不同time-bins重叠。
我们还在探索的能力来存储轨道角动量(OAM)在我们的系统模式。我们使用一个全息图和空间光调制器产生和测量模式在所有六个基地。
许多光学实验,包括那些在我们小组进行的,需要高速低损耗光交换机路由光子通过系统。对于大多数应用程序在我们的实验室中,我们使用低损耗泡克耳斯细胞结合偏振光。这些设备的依赖泡克耳斯效应诱导双折射晶体内应用电场,使极化操纵光子晶体在穿行。再加上一个偏振beamspiltter输出,允许其中一个控制光子是否发送到传输或反射路径。
然而,很有挑战性同时实现低损耗和超快开关率与泡克耳斯细胞所需的高电压引入问题,降低切换性能,如晶体加热。因为一个超速的低损耗光开关有很多应用程序(例如,我们time-multiplexed单光子源),我们正在调查的可能性,采用光学非线性GHz范围实现切换率,同时保持传输损耗低于2%。有前途的技术包括光学克尔效应,激光是用来改变非线性材料的双折射的方式类似于如何使用外部电场改变晶体的双折射波克尔斯细胞。
一个典型的量子信息实验室是镜子的丛林,镜头、偏振器和光纤电缆。在一个真正的量子计算机、量子逻辑需要包含在“芯片”——测微或波导集成光学系统。
这种方法的一个缺点是,一个通常不会把超过90%的光从光纤波导,因为光线在路上丢了。尽管光纤和波导可能都是单模的设备,他们不一定是相同的模式。一个自适应光学系统可以帮助匹配两种模式,减少光的损失。自适应光学也可以帮助从各种类型的收集更多的光量子比特,包括单一离子、原子,和量子点。了解实际限制优化模式匹配,我们目前正在使用计算机控制变形镜运行遗传算法优化模拟离子和单模光纤之间的耦合。
量子隐形传态允许信息,如单个光子的量子态或原子之间传输是完全两个位置没有通过它们之间的空间。它依赖于一个经典通信通道像是两个地点之间的网络连接,因此不允许信息传播速度比光的速度。这两个位置也必须分享一些量子entanglement-for示例中,一个光子的纠缠。
标准的量子隐形传态只能用于可靠地传输量子态与两个参数。两个多,流程就概率,只适用于努力的一小部分。其他策略,如远程状态准备,可用于可靠地传输比两个参数,但他们很快需要大量(生长参数的个数的平方)昂贵的单光子探测器和复杂的测量技术。
超密传送是一个方案,可以实现量子信息的可靠传输用更少的资源比远程状态准备。它通过编码的参数一个希望传输量子态上的一个特殊的类称为equimodular状态。这些状态类似于hypertorus表面上的点。
我们有实验证明使用光子hyperentangled四个参数状态的超密传送极化和空间模式。(见纠缠的来源和多歧的纠缠更多关于hyperentangled状态。)
垃圾箱的极化和时间,我们可以看到,系统主要部署在一个候选人space-to-earth通道。为此,我们协议的性能特点,在实验室模拟几个条件,经验space-to-earth通道。分析表明,我们应该能够成功执行这个协议在space-to-earth通道。
量子密码学使用纠缠,使安全通信,立即提醒用户窃听。点击右边的图的动画展示一个例子叫做BB84量子密码协议。
纠缠光子产生和发送到双方愿意沟通。这是有效的转移两组随机位,每一位完全与它的合作伙伴在其他设置。适当的后处理,这些碎片构成一个密钥,允许双方安全加密一条消息。任何中间测量的偷听者会立即腐败的纠缠光子之间的相关性和提醒用户。
在我们的实验室,我们正在开发一种新型超高速量子密码系统。先前的量子密码系统使用纠缠在一个自由度分配的关键,每个光子通常发送不到一点。我们使用纠缠在多个自由度发送超过随机位/光子。使用这种方法我们希望实现一个安全的数据速率超过1 GB / s,现有系统的100到1000倍。
在极化和时间使用hyperentanglement垃圾箱,我们演示了一个高维QKD协议。使用4个不同的基地,我们有12个基础组合生成1 - 2位的组合键和4基础相互无偏的。这个协议是执行SDT使用相同的系统实现,如上所述。我们发现这个协议也将在部署过程中成功space-to-earth通道。内在的出错率< 5%允许操作的有限的关键机制,即使在部署在space-to-earth通道传输可以很低。
我们正在寻求建立一个量子之间的安全网络无人机在飞行中使用量子密钥分发(QKD)。主要的动机包括解决长距离量子网络的“最后一英里”问题,建立实用的无线量子网络,以及延长量子安全的新兴应用无人机。我们认为这项研究工作作为第一步在提供更先进的无人机如纠缠量子技术生成和分布通过光学波导。
量子密码学在保证安全关键传输原理,实际的实现往往受到各种边信道攻击,利用各种工程和技术缺陷QKD硬件。QKD系统的探测器是特别容易受到攻击,因为许多探测器非理想特性如空载时间和灵敏度致盲。作为一个解决方案,measurement-device-independent QKD (MDI-QKD)被介绍给的版本QKD耐探测器边信道攻击。
一般MDI-QKD实现涉及两个人(Alice和Bob)渴望分享彼此安全的密钥。Alice和Bob向第三方发送qubit-encoded光子(查理)标识爱丽丝和鲍勃的量子位之间的关系通过贝尔态测量(BSM)涉及光子。因为这需要Alice和Bob同时产生光子,实施这一传统SPDC-based预示单光子源不是很可伸缩由于获得一致的低概率事件两个随机的,不确定的来源限制产生率的关键。
为了解决这个问题,我们使用一种修改版的time-multiplexed预示单光子源作为量子存储器,让查理同步爱丽丝和鲍勃的热休克。每当查理接收一个早到光子从爱丽丝(Bob),他将其存储在量子存储器。他当鲍勃的发布(爱丽丝)迟到光子到达查理,现在有两个重合光子和可能使贝尔态测量。
使用这个配置中,我们演示了30倍的增强同时光子从爱丽丝和鲍勃。这使我们的第一个示范HSPS-based MDI-QKD,我们实现了一个安全的关键利率0.851比特/秒。这是一个重大的改进没有记忆的情况下,我们无法生成安全密钥由于重合率很低。
我们也使用hyperentanglement编码创纪录数量的单个光子的二进制属性信息,在线性光子超密编码信道容量限制。
在信息理论中,一个嘈杂的通信信道的特性是它的信道容量,或最大速率可以忠实地传递信息。经典这是发现通过互信息的渠道,一定程度的信息共享的源和接收器。量子模拟信道的相干信息,也考虑到纠缠的影响。
量子信道的相干信息的特殊属性”超加和性。”这是经典通信形成鲜明对比,互信息是添加剂:如果一个源发送的两倍多的信息虽然通道,接收器应该能够恢复的两倍。由于互信息通道使用线性扩展,一个使用的通道定义它的属性。然而,对于量子通道,可以扩展非线性相干信息。即恢复来自多个渠道的信息使用可以超过- - -虽然我们预期数量仅略在经典通信。这样可以更好的扩展信息传输时只有有限数量的信道使用是可能的。在极端的情况下,量子通道甚至可以表现出“superactivation”,即重复通道使用允许信息被恢复,否则无法使用渠道。
超加性相干信息建立了理论上的dephrasure通道,将擦除和零相位化。dephrasure通道展品为只有两个频道使用超加和性;结合该频道的简单的形式,这使它适合实验调查。我们目前正在开发一个光学系统的过程模拟dephrasure超加性和superactivation通道和测试它的属性。
下限的视力,眼睛需要几光子。没有人确切地知道为什么few-psychological和生理研究表明,单个光子愿景可能,但问题从未直接测试。视杆细胞在人类视网膜上(见图右)对单光子,但尚不清楚是否这些信号继续通过视觉通路,导致光的感觉。使用减毒经典光源,所有先前的研究和model-fitting估计检测阈值的方法。
处理伊利诺伊大学的心理学教授弗朗西斯王博士,我们正在进行几个实验来描述人类视觉的下限使用一个真正的单光子源。如果你有兴趣参与志愿者的观察者,你可以找到更多的信息和感兴趣的形式在这里。
证明单光子视觉心理学不仅会回答一个悬而未决的问题,但它也可能会可以测试视觉系统中的量子力学的预言。亚微观的尺度,可以用量子力学描述的一切。粒子如电子和光子衍射和干涉波,和他们纠缠和量子隧道效应等表现出奇怪的行为。我们周围的一切都是由量子粒子,但你不会找到你的勺子纠缠与你的早餐麦片,或看到一个足球在净衍射。为什么量子古怪似乎消失在宏观世界仍然是一个谜团。
使量子效应可直接人类感知地址基本问题如何奇怪的量子规则产生周围熟悉的世界。我们可以调查是否人类观察者感知区别光子统计两个偏振状态的混合物,和一个在两个偏振的量子叠加态。最终我们甚至可能能够证明量子非定域性钟测试与人类观察者而不是单光子探测器。
不同于经典物理,测量可以被认为是独立的观察,不影响实验的结果,测量量子系统可以改变系统的状态。在一个“软弱”的量子测量测量系统与测量设备只有一个非常弱连接的例子,少量的光可能会“泄露”出一个实验在一个传感器。这使我们能够测量系统没有打扰它。
测量这个软弱的值也可以放大微小影响的,所以我们可以测量更精确。然而,绝对测量的分辨率比传统的测量通常保持不变。我们正在尝试“回收”的光不是测量(例如,光不泄漏到传感器)和多次重复测量弱改善信噪比。使用该方法的初步版本,我们已经提高了信噪比和测量倾斜的镜子50 picoradians-about 3/1000000000度!如果激光束由50 picoradians改变了方向,这将是流离失所后不到一根头发的宽度跨美国大陆旅行的距离。
在过去,我们也使用弱的值让第一次测量的自旋霍尔效应相对的圆偏振光的光,光束经验相反(但小)横向空间变化时通过一个air-glass接口在一个角度(参见动画左边)。与我们weak-measurement放大方案,我们实现了位移分辨率的1海里。
目前正在开发的部分
光子探测器效率高和低误差概率对光学量子计算是必不可少的,可伸缩的量子信息协议和基本物理研究等loophole-free钟测试。传统的单光子探测器,如雪崩二极管(adp)和光电倍增管(pmt),只有量子效率高达75%,10 - 20%,分别。
相比之下,VLPCs(可见光光子计数器)和SSPMs(固态光电倍增管)固态设备,利用雪崩倍增效应,不同波长(互相)只有在他们的敏感问题。VLPCs敏感只在可见的范围,而SSPMs敏感从可见到超过10微米。左边的图显示了一个包含几个VLPCs芯片,和定制的铜块用于我们的系统与液态氦冷却VLPCs。
VLPCs和SSPMs特性adp和pmt不能提供独特的功能,包括高量子效率和能力photon-number决议同时计算多个光子到达。VLPCs有推断内部量子效率94% + / - 5% (694 nm)和SSPMs 96% + / - -3%(660海里)。在过去,问题提供光探测器测量效率有限不到88%。
我们正在改善这些探测器)使用自定义anti-reflection探测器(AR)涂料,b)减少损失的原因和背景光耦合纤维,使用改进的低噪声电子c), d)将小说低温冷却的设计。有了这些改进,我们最近取得了创纪录的VLPC系统效率91%。
选择一个号码。你的选择可能很难猜,但这是真正随机的。摇骰子抛掷硬币或者接近真正的随机性,但它们缓慢,他们可以提前预测如果硬币的确切的“启动条件”或死亡。计算机算法通常用于模拟随机数字当他们中的许多人(例如,在一个在线casino-but不完美的随机性可能是灾难性的。聪明的21点玩家可以利用虚拟card-shufflers不产生一个真正随机的甲板安排。一个加密系统,未能生成真正随机的密钥可以被破解。
量子力学的不确定性提供了一种真正的随机数。一个50 - 50的分光镜传输光线照射到它上面的一半,反映了另一半。因为光线是由单光子,每个光子有50%的几率被传播。每个光子的结果是完全随机的,不能事先预测。一个简单量子随机数生成器可能产生二进制数的分配一个“0”如果光子传播和一个“1”,如果它反映。
随机数生成的速率在这样一个系统受限于单光子探测器饱和烃和多快失去更多的光子计数的能力。我们有不同的策略,使用快速电子记录每个光子的准确到达时间。这样的测量可以获得多个随机比特为每个检测事件,这是有可能超过正常范围的量子随机数生成至少一个数量级。我们实现了一个随机数的产生率110 MB / s的2010年4月,超过了之前最好的10倍。研究生迈克尔·韦恩图和保罗Kwiat和破纪录的随机数发生器。
频率上转换的过程是两个不同频率的光子可以加入一起在非线性晶体中并创建一个新的光子的频率是前两个的总和。我们使用这个过程来将单个光子从1550 nm的可见光谱可以检测到硅雪崩二极管。这些探测器效率远高于InGaAs探测器通常用于检测红外(IR)光子,从而允许高效的检测单红外光子。我们还演示了这一过程的一致性通过执行上转换过程在干涉仪的两条路径,并观察upconverted光的边缘。保存处理量子位的一致性是一个关键的要求,从而使这个过程适用于应用程序(如量子密码和量子网络。
在一个特别不寻常的量子信息方案称为“反事实的计算”(CFC),一个可以对量子计算机执行测量,获取信息问题的解决方案,计算机实际运行。我们首先证明了实验实现反事实的计算。除了在理论上证明非跑动量子计算机的一些error-suppressing功能,我们提出一个方案,表现出明显的先前建立界限的氯氟化碳可以实现多好。这发起一个正在进行的讨论的意义counterfactuality在量子过程。
量子密钥分发(QKD)允许非常遥远的政党之间的安全通信。完美QKD安全,第一个经典协议实现不可能的信息,依赖于量子力学的非局部性质。使用纠缠光子和低损耗量子存储系统,我们意识到一个改进通过添加相对论量子力学协议约束。据我们所知,这是首次实验实现的信息协议同时依赖于量子力学和狭义相对论。
点击右边的图动画显示相对论协议是如何工作的。