以色列研发原子和光子之间的量子门 构建大规模集成网络

2018/09/12 责任编辑:远山 来源:大国重器 访问:965

未来的量子计算机将能够执行当今计算机无法完成的计算,如破解安全电子交易加密能力,以及解决方案呈指数增长的各类复杂问题等。

  以色列魏茨曼科技学院(Weizmann)量子光学实验室教授Barak Dayan研究出一种可以为量子计算机内部和量子计算机之间通信所需等“量子门”,能够使量子计算机的发展更进一步。

  当前计算机的位只能是“0”或“1”两种状态,与之相比,量子计算机的量子比特可以同时对应于“0”或“1”两种状态,成为量子叠加,位量子比特提供了一种边缘状态,由它们组成的计算机可以并行执行大量计算。

  量子计算机存在的问题

  但是有一个问题:量子叠加态的状态只有在外部世界不以任何方式观察或测量时才能存在;否则所有可能的状态都会变成一个。这导致了相互矛盾的要求:为了使量子位一次存在于几个状态,它们需要很好地隔离,但同时它们需要与许多其他量子位进行交互和通信。

  这就是为什么尽管世界上有几家实验室和公司已经展示了具有几十个量子比特的小型量子计算机,但将这些量化计算机扩展到数百万量子比特所需的规模仍然是一个主要的科学和技术障碍。

  量子隔离方法

  一种有希望的解决方案是使用具有小的、可管理的量子位的隔离模块,当需要光学链路时可以在它们之间进行通信。存储在材料量子位(例如单个原子或离子)中的信息然后将被转移到“飞行量子比特” - 称为光子的单个粒子光。

  该光子可以通过光纤发送到远距离材料量子位并传输其信息,而不会让环境感知到该信息的性质。创建这样一个系统的挑战是单个光子携带极少量的能量,而包含材料量子位的微小系统通常不会与这种弱光强烈地相互作用。

  位于魏茨曼科技学院的Barak Dayan量子光学实验室是全球为数不多的专攻这一科学挑战的团体之一。他们的实验装置将单个原子与芯片上独特的微米级二氧化硅谐振器耦合;光子通过特殊的光纤直接发送这些光子。

  实验结果

  在之前的实验中,Dayan和他的团队展示了他们的系统作为单光子激活开关的功能,以及从闪光中“采集”单个光子的方法。在自然物理学的研究中,Dayan和他的团队首次成功创建了一个逻辑门,光子和原子能够自动交换它们携带的信息。

  Dayan说,“光子带有一个量子比特,原子是第二个量子比特。每次光子和原子相遇时,它们会自动地同时交换它们之间的量子比特,然后光子继续使用新的信息。在量子力学中,信息无法被复制或删除,这种交换信息实际上是读写的基本单位 - 量子通信的‘原生’门。”

  这种类型的逻辑门可用于在量子计算机内和量子计算机之间交换量子位。由于该门不需要外部控制场或管理系统,因此可以构建超大规模集成(VLSI)网络的量子等价物。

  研究意义

  Dayan说,“我们演示的逻辑门适用于所有类型的基于物质的量子比特之间的光子通信 - 不仅仅是原子。因此,我们相信它将成为下一代量子计算系统的重要组成部分。”


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