与我们日常生活中周围的光产生的杂乱频率不同，被称为“孤子”频率梳的专用光源中的每个光频率都一致振荡，产生具有一致时间的独立脉冲。

这种频率梳的每个“齿”都是不同颜色的光，间隔非常精确，因此该系统可用于测量各种现象和特征。目前正在开发的这些频率梳的微型版本（称为微梳子）有可能提高多种技术，包括 GPS 系统、电信、自动驾驶汽车、温室气体跟踪、航天器自主性和超精确计时。

斯坦福大学电气工程师Jelena Vučković的实验室最近才加入了微梳社区。“许多团队已经展示了各种材料的片上频率梳，包括我们团队最近应用在碳化硅中的频率梳。然而，到目前为止，频率梳的量子光学特性一直难以捉摸，”工程学院全球领导力教授、斯坦福大学电气工程教授黄仁勋说。“我们想利用我们小组的量子光学背景来研究孤子微梳的量子特性。”

虽然其他实验室已经制造了孤子微梳，但斯坦福大学的研究人员是最早研究该系统量子光学特性的人之一，他们在12 月 16 日发表在《自然——光子学》上的一篇论文中概述了这一过程。当成对创建时，微梳孤子被认为表现出纠缠，这是一种粒子之间的关系，即使在很远的距离上，它们也可以相互影响，这支撑着我们对量子物理学的理解，并且是所有提出的量子技术的基础。而我们每天遇到的大多数“经典”光都不会出现纠缠。

Vučković的纳米和量子光子学实验室的研究科学家、该论文的共同作者Kiyoul Yang说：“这是首次证明这种小型化频率梳可以在芯片上产生有趣的量子光--非经典光。这可以为利用频率梳和光子集成电路进行大规模实验的量子光的更广泛探索开辟一条新途径。”

为了证明他们的工具的实用性，研究人员还提供了令人信服的孤子微梳内量子纠缠的证据，该证据已被理论化和假设，但尚未得到任何现有研究的证实。

纳米尺度和量子光子学实验室的研究生、该论文的合著者 Melissa Guidry 说：“我真的很希望看到孤子对量子计算有用，因为它是一个经过深入研究的系统，在这一点上，我们有很多技术可以在低功率下在芯片上产生孤子，所以能够利用它并证明你有纠缠将是令人兴奋的。”

前斯坦福大学物理学教授Theodor W. Hänsch 因其在开发第一个频率梳方面的工作而于 2005 年获得诺贝尔奖。要创造 Hänsch 研究的东西，需要复杂的、桌面大小的设备。相反，这些研究人员选择专注于更新的“微型”版本，其中系统的所有部分都集成到单个设备中，并设计为适合微芯片。这种设计节省了成本、尺寸和能源。

为了制造他们的微型梳子，研究人员将激光泵入一个微型碳化硅环（这是使用斯坦福纳米共享设施和斯坦福纳米制造设施的资源精心设计和制造的）。绕着环走，激光增强强度，如果一切顺利，孤子就会诞生。

纳米尺度和量子光子学实验室的研究生 Daniil Lukin 说：“令人着迷的是，你可以用一个激光泵和一个非常小的圆圈来产生相同类型的特殊光，而不是拥有这种花哨、复杂的机器。”论文的共同作者补充说，在芯片上生成微梳可以使齿间的间距变大，这是朝着能够观察到梳子更精细细节迈出的一步。

接下来的步骤涉及能够检测光的单个粒子并用几个孤子填充微环的设备，从而形成孤子晶体。“使用孤子晶体，你可以看到齿间实际上有更小的光脉冲，这是我们用来推断纠缠结构的测量值，”Guidry 解释说。“如果你把探测器停在那里，你可以很好地观察有趣的量子行为，而不会被构成齿的相干光淹没。”

鉴于他们正在对该系统的量子方面进行一些初步实验研究，研究人员决定尝试确认一个称为线性化模型的理论模型，该模型通常用作描述复杂量子系统的捷径。当他们进行比较时，惊讶地发现实验与理论非常吻合。因此，虽然他们还没有直接测量到他们的微梳具有量子纠缠，但他们已经证明其性能与暗示纠缠的理论相匹配。

卢金说：“重要的信息是，这为理论家做更多理论打开了大门，因为现在，有了这个系统，可以通过实验验证这项工作。”

证明和使用量子纠缠

数据中心的微梳可以提高数据传输速度；在卫星中，它们可以提供更精确的 GPS 或分析遥远物体的化学成分。Vučković 团队对某些类型的量子计算中孤子的潜力特别感兴趣，据预测，孤子一经产生就会高度纠缠。

凭借他们的平台以及从量子角度研究它的能力，纳米级和量子光子学实验室的研究人员对下一步可以做什么保持开放的态度。在他们的想法中，最重要的是对他们的系统进行测量，最终证明量子纠缠。