量子技術新突破:採用聲子傳遞量子信息

2020-12-06 環球創新智慧

導讀

近日，奧地利維也納技術大學和美國哈佛大學的科研人員組成的團隊發現了一條傳遞必要的量子信息的新方法。他們提議採用微小的機械振動，通過「聲子」實現原子之間的相互耦合，聲子是振動或者聲波的最小量子力學單位。

背景

量子，是現代物理的重要概念，由德國物理學家普朗克最早在1900年提出。量子具有很多神奇的特性，例如疊加和糾纏。量子物理催生了一系列的技術應用，例如：量子傳感器、量子通信、量子計算機等等。量子技術是現今世界上最具顛覆性的前沿技術之一，已成為世界各國進行高新技術競爭的重要領域。

溫故而知新，讓我們先來回顧一下之前介紹過的有關量子技術應用的經典案例：

1）量子傳感器方面：德國弗勞恩霍夫應用固體物理與馬克斯普朗克固體研究所的科研人員合作開發出只比氮原子稍大一點的新型量子傳感器，它採用人造鑽石作為基底，不久將可用於測量下一代硬碟的微弱磁場。

（圖片來源：Fraunhofer IAF）

2）量子通信方面：加拿大渥太華大學的科研人員通過自由空間光網絡，在兩座相距0.3千米的建築之間，演示了四維量子加密。這次成功的實驗表明，未來使用高容量、自由空間的量子通信，創建地基網絡和衛星之間的安全通信連結將成為現實。

（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

3）量子計算機方面：澳大利亞新南威爾斯大學（UNSW ）探索出了基於矽自旋量子位的新方案。研究人員重新構思了常用的「矽」微處理器，全新地設計出矽量子計算機晶片，該晶片可通過最標準的工藝和元件進行製造。

（圖片來源：Tony Melov/UNSW）

然而，目前量子技術發展的主要障礙之一，就是找到正確的方法來聯繫並精準控制足夠數量的量子系統（例如單獨的原子）。

創新

近日，奧地利維也納技術大學和美國哈佛大學的科研人員組成的團隊發現了一條傳遞必要的量子信息的新方法。他們提議採用微小的機械振動，通過「聲子」實現原子之間的相互耦合，聲子是振動或者聲波的最小量子力學單位。

（圖片來源：維也納技術大學）

技術

維也納技術大學教授 Peter Rabl 表示：「我們正在測試內置矽原子的微小鑽石，這些量子系統非常有前景。一般來說，鑽石是完全由碳原子組成，但是在特定位置添加矽原子，可以創造出晶格中的缺陷，而量子信息可以存儲在那裡。」晶格中的這些微小缺陷可以作為一個微型開關，而採用微波可以在較高能量狀態與較低的能量狀態之間切換這個開關。

Peter Rabl 的研究小組與哈佛大學的團隊一起開發出一種新創意，實現這些鑽石中的量子存儲器之間的靶向耦合。如同項鍊上一顆一顆的珍珠，它們可以一個接一個地嵌入長度僅有幾微米的鑽石棒中。這種棒就像音叉一樣，可以用於製造振動。然而，這些振動非常微小，以致它們只能用量子理論來描述。通過這些振動，矽原子能夠形成相互之間的量子力學聯繫。

Peter Rabl 解釋道：「光線由光子（光量子）組成。同樣地，機械振動或者聲波也可以用量子力學的方式描述。它們由聲子組成，聲子是機械振動的最小單位。」現在，研究團隊已經能夠通過模擬計算展示，通過這些聲子，大量的量子存儲器在鑽石棒中可以被聯繫到一起。單個矽原子可以通過微波來「打開或關閉」。在這一過程中，它們激發或者吸收聲子。這樣創造出不同的矽缺陷之間的量子糾纏，從而可以傳遞量子信息。

價值

迄今為止，尚不清楚這樣的方案是否可行。Peter Rabl 表示：「你通常可能會認為聲子會在某處被吸收或者與環境發生接觸，從而失去它們的量子力學特性。可以說，聲子是量子信息的敵人。但是我們通過計算展示，當採用微波適當控制聲子時，實際上聲子可用於技術應用。」

這項新技術的主要優點就是可擴展性。Peter Rabl 表示：「有關量子系統的許多想法原則上都可以用於技術應用。最大的問題就是難以將足夠數量的量子系統聯繫起來，展開複雜的運算操作。」 採用聲子實現這一目標的新方案，將為可擴展的量子技術提供一種新方案。

關鍵字

量子、聲子、光子、計算

參考資料

【1】https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125864/

【2】M.-A. Lemonde, S. Meesala, A. Sipahigil, M.J.A. Schuetz, M.D. Lukin, M. Loncar, P. Rabl. Phonon Networks with Silicon-Vacancy Centers in Diamond Waveguides. Physical Review Letters, 2018; 120 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.213603

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