Nature:新技術有望解決量子計算機信息傳輸難題

2020-11-26 騰訊網

來自奧地利科學技術研究所的科學家首次用機械物體產生了糾纏輻射，這一技術或許能夠解決量子信息在傳輸過程中容易損壞的問題，幫助我們在量子計算機之間建立連接。

該模型示意圖，未來或可連接量子計算機。圖片來源：PHILIP KRANTZ, KRANTZ NANOART

來源：奧地利科學技術研究所

翻譯：頁一

審校：嚴冰冰 & 沛米

量子糾纏是量子力學的主要原理之一。奧地利科學技術研究所 Johannes Fink 教授研究組成員發現了一種利用機械振蕩器產生糾纏輻射的方法，可能將在連接量子計算機方面發揮巨大作用。研究成果發表在《自然》雜誌上。

量子糾纏是量子世界特有的典型現象，不存在於所謂的古典世界，即支配人類日常生活的世界和物理定律中。當兩個粒子發生糾纏時，其中一個粒子的特性可以通過觀察另一個粒子來確定。該現象由愛因斯坦發現，如今被積極應用於量子密碼學領域，以研發不可破譯的密碼。然而，不僅粒子會受糾纏的影響，輻射也會發生糾纏。本論文的第一作者 Shabir Barzanjeh，奧地利科學技術研究所 Fink 教授的博士後，正在研究這種現象。

Barzanjeh 解釋說：「試想一個盒子有兩個出口，如果兩個出口發生糾纏，人們就可以通過觀察其中一個出口發出的輻射得到另一個出口輻射的特性。」科學家早前就能製造出糾纏輻射，但這項研究第一次使用機械物體來產生糾纏輻射。

他們新製造出的矽束長 30 微米，由大約一萬億（1012）個原子組成，對肉眼來說這樣的矽束可能很小，但在量子世界中它們的體型是相當巨大的。Barzanjeh 說：「我覺得這是個有趣的基礎問題：能否利用如此巨型的系統來產生非經典輻射？現在我們知道答案是肯定的。」

不過該裝置也有實用價值。機械振蕩器可以在數據中心內外將極其敏感的量子計算機和聯通它們的光纖連接起來。Barzanjeh 說：「我們建立的是一個量子連結的設計原型。」

在超導量子計算機中，電子元件只能在絕對零度（-273.15°C）以上千分之幾度的極度低溫下工作，因其運行基礎——微波光子對噪聲和損耗都極其敏感。如果量子計算機內的溫度升高，所有的信息都會被破壞。同理，目前在量子計算機之間進行信息傳輸幾乎是不可能的，因為傳輸過程中信息必須穿越高溫環境，因而很難不被破壞。

另一方面，網絡中的經典計算機通常通過光纖連接，因為光輻射對可能危及或損壞數據的幹擾具有強抗擾能力。為了將這項成熟技術應用於量子計算機領域，我們必須建立連結，將量子計算機的微波光子轉換成光學信息載體，或者研發一種能產生糾纏微波光場的設備，作為量子傳送的源頭。這種連結將成為室溫光學世界和低溫量子世界之間的橋梁，現在物理學家研發的這個設備就是邁向該目標的一步。Barzanjeh 說：「我們製造的振蕩器使人們離量子網際網路又近了一步。」

然而，這並不是該設備唯一的潛在應用。Shabir Barzanjeh 解釋說：「我們的系統也可以用來提高引力波探測器的性能。」 Johannes Fink 補充說：「我們發現，對這種穩態糾纏場的成功觀測意味著產生它的機械振蕩器必須是一個量子物體。這適用於任何類型的介質，且不需要對它進行直接觀測。所以，我們的測量原理在未來將有助於驗證或證偽其它難以探究的系統的潛在量子性質，例如有機體或引力場。」

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