一夜变天：现在量子纠缠都能量产了？

今天，我们要来聊一个刚刚发生的，关于量子技术的重大新闻。来自中山大学的科学家们，在纳米尺度上，成功建造了一座能随心所欲生产相互纠缠的光子对的神奇工厂。这个成果的意义非常重大，因为它可能会改变未来的量子计算机和量子通信技术的整体格局。

《自然》杂志论文截图1

01量子纠缠的概念

量子纠缠这个词，相信每个人都熟悉，也大概知道量子纠缠的意思，不过，为了让你能真正理解这个双光子工厂的非凡意义，这里还是要从量子纠缠的基础概念开始讲起。

在微观世界里，两个粒子，比如两个光子，在经过特殊处理后，会像一对有心灵感应的双胞胎。无论你把它们分开多远，哪怕一个在地球，另一个在月球，它们之间都会保持着一种神秘的联系。只要你测量其中一个光子的状态，那么在同一瞬间，另外一个光子的状态必然会呈现出被测量的光子的相反的状态。这个过程是一个瞬时过程，不需要消耗时间。这种超越距离的瞬间关联，就叫做量子纠缠。

理解了这一点，我们再来看它的两项重要应用：量子通讯和量子计算。

比如 A 与 B 二人进行量子通信。A 先通过一组纠缠的光子把一份双方都不知道的密钥发给 B。由于纠缠光子一旦破坏就不能被伪造，如果有黑客在半路上窃取了密钥，那么就会导致 AB 二人手里的密钥对不上。当 A 准备正式向 B 发送数据时，可以通过任意通讯方式与 B 发起一次密钥比对，如果密钥对不上，就说明有黑客已经窃取了密钥，这时候，我们只要再次发送新的量子密钥，通讯就不会被黑客窃听了。

再比如量子计算机，它需要大量的量子比特协同工作。这些量子比特能够同时存在于多个状态，而不仅仅是经典计算机中的 0 和 1 两种状态。通过量子叠加，量子计算机能在一瞬间处理庞大的信息量，从而使其在处理一些特殊计算任务时比传统计算机更高效。而要实现这种高效的计算，量子比特之间的相互协作至关重要。而量子纠缠，就是连接这些量子比特，让它们同步运算的关键。

所以你看，量子纠缠是未来量子科技大厦的基石。我们找到了很多量子纠缠的应用方向，但是有一个大问题尚未解决，那就是，该如何高效地制造出这些纠缠的光子呢？

02纠缠光子的稀缺性

纠缠的光子是一个相当稀有的东西。在绝大多数情况下，用激光来照射晶体，可以让晶体内部的电子提升到高能态。但是，高能态是不稳定的，于是电子就会自动跌落回原来的低能态，并且释放出一个光子。在某种比较罕见的条件下，跌落回低能态的电子会释放出两个相互纠缠的光子，这两个光子的总能量与之前吸收的光子能量相等。这就产生了一个纠缠在一起的光子对。

这个办法听起来不错，但它有个巨大的问题，那就是生成纠缠光子对的概率实在太低了，完全属于碰运气。所以虽然全世界的科学家都知道这是一种能够产生纠缠光子对的办法，但谁也没法把它变成一条可以稳定生产纠缠光子的流水线。

03从量子点电视到光子工厂

那么，中山大学的科学家们到底是怎么解决这些问题的呢？这要从你身边很熟悉的一个家用电器开始说起，它就是 QLED 量子点电视机。量子点电视机是目前色彩最逼真的电视机产品。它是怎么做到的呢？其实它的底层原理就是电子能级降低时会释放光子这个量子力学原理。

论文第一作者刘顺发副教授开展量子光学测量实验

科学家们用制造电脑芯片的半导体材料，通过非常精细的雕琢，造出了一个只有几纳米大小的房子，这个房子非常非常小，小到可以把一个电子关在里面。奇妙的事情就在这里发生了。当电子被关进小房子之后，物理规律会迫使它也只能待在固定的房间里，这与电子在绕着原子旋转时会有不连续的能级轨道非常类似。当我们用激光照射这些电子时，电子就会跃迁到房子的更高楼层，当它们重新落回较低的楼层时，就会释放出光子。而你家里的量子点电视机就是这么发光的。2023 年的诺贝尔化学奖，表彰的就是量子点的发现和合成。

最重要的是，这些小房子的大小和楼层的高低都是可以人为控制的，只要控制好楼层的高度，就能让电子准确地释放出指定颜色的单色光了。

中山大学的科学家们采用的办法与量子点电视机的原理是类似的。他们也给电子制造了特殊的小房子，在小房子的束缚下，可以为电子注入更多的能量，这就导致电子在能级向下跃迁的过程中只能释放出两个一模一样的光子。这就是纠缠光子对的产生过程了。

如果你还是没听懂，我可以再给你举一个更形象的例子。你可以把科学家为电子制造的小房子想象成一台自动提款机。提款机的结构规定了如果取钱，就只能是 100 元的倍数，因为它里面只有 100 元的钞票。这时候，我们在存钱时一下子转账进去 200 元，并且要求它立即取出来。提款机因为自身限制，就只能吐出两张 100 元的钞票了。

通过这种巧妙的设计，科学家们硬是把那个原本发生概率低于 0.1% 的罕见事件，提升到了大约 50%。这是一个革命性的飞跃。过去获得纠缠光子对是拼运气，是守株待兔，现在则是建立起了一条高效的生产线。所以科学家才会自豪地说，我们就像在纳米尺度上，打造了一个专门生产纠缠光子的工厂。只要按下开关，这个工厂就能按需生产，要多少有多少。

除了产量高，产品质量也非常关键。新闻里提到，他们生产出的纠缠光子，保真度高达 99.4%。这是什么意思呢？保真度衡量的就是这对光子之间有多高的概率是相互纠缠的，没有纠缠效应的两个普通光子是没有意义的。99.4% 的保真度，意味着它们的关联性极强，几乎完美。没有测量就没有科学。这个 99.4% 这个数值，是这项成果含金量的最好证明。

这座双光子工厂的问世，为整个量子信息技术的发展提供了最基础、也最关键的零件。有了它，整个产业就可以从实验室走上应用驱动的快车道。

想象一下：

当纠缠光子能像“自来水”一样稳定供应，你觉得哪种量子技术会最先改变你的生活？是超安全的量子通信？还是其它意想不到的应用？ 欢迎在评论区分享你的看法！

信源：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09267-6