美國物理學家證實：信息可以在電子之間實現量子遠距離傳輸
2020-06-27 技術力量
信息可以在電子之間實現量子遠距離傳輸
通過利用量子糾纏，美國物理學家已經找到了可以讓信息在電子之間遠距離傳輸的方法。
在光子之間傳送信息已經在之前的研究中得以實現。最新的研究實現的電子對之間的量子遠距離傳輸，這可能有助於將量子計算與更傳統的電子設備連接起來。
紐約羅切斯特大學的物理學家約翰·尼科爾
紐約羅切斯特大學的物理學家約翰·尼科爾（John Nichol）說：「我們的研究證明，即使沒有光子，即使粒子從未相互作用，我們也能在兩個電子之間產生糾纏，以及實現量子門隱形傳態。」
糾纏是物理學術語。通俗來說，如果你從商店買了一雙鞋，但遺忘了一隻在店裡，你一回家就會自動知道它屬於哪只腳。這雙鞋在某種程度上說是糾纏在一起的。
如果在你回來的時候，店主拿出了另外一隻鞋，你會認為他們要麼是記得你的銷售情況，要麼是剛好猜測對。
在你看這隻鞋子之前，真正的詭異的事情就出現了，你不知道這隻鞋是左腳還是右腳。就在那一刻，店裡遺留的那隻也會因為你觀察家中的鞋子而突然變形。
在物理學家提出量子糾纏理論後近一個世紀後，我們現在知道糾纏粒子之間的傳送是宇宙在基本層面上的運作方式。
雖然這並不是科幻電影中的傳送方式，但描述這種信息跳躍在進行特殊類型的計算時可能會非常有用。
典型的計算機邏輯是由位的二進位語言組成的，標記為1和0。量子計算是用可以同時佔據兩種狀態的量子位構建的，它提供了更大的可能性，這是經典技術無法觸及的。
問題在於，宇宙就像一雙大鞋，當任何一個量子比特與環境互動的那一刻，都有可能將你「猜哪只腳」 的遊戲變成一場噩夢般的賭博。
由於光子可以通過真空或光纖在巨大的距離內以光速快速分離，操縱光子傳輸其糾纏狀態變得更加容易。
但分離糾纏電子對則是一個更大的挑戰，因為它們在反彈時的笨拙相互作用幾乎肯定會破壞它們數學上的純量子狀態。
不過，這是一個非常值得努力的挑戰。
尼科爾說：「單個電子是很有前途的量子，因為它們非常容易相互作用，而且半導體中的單個電子量子也是可擴展的。可靠地創建電子之間的長距離相互作用對於量子計算來說至關重要。」
為了實現這一目標，物理學家和工程師團隊利用了支配構成原子和分子的基本粒子保持其位置的法則。
上圖中，a為有條件糾纏交換的電路圖。b左側的無條件單子概率p(SL)沒有振蕩，但p(SL∣SR)和p(SL∣TR)有明顯的單子-三子振蕩。模擬預測以相同的顏色顯示。 c在量子位1和2上測量的提取振蕩頻率與重複數與測量的超細梯度的比較。d 條件門傳送的電路圖。 e只顯示出微弱的振蕩，但p(SR∣SL)和p(SR∣TL)顯示出突出的單三態振蕩。f 提取的糾纏交換和門-遠傳振蕩頻率與重複次數的比較。
任何兩個具有相同量子自旋狀態的電子都不能佔據空間中的同一位置。但有一點漏洞：附近的電子可以交換它們的自旋，就像你的腳可以交換鞋子一樣，如果你把它們帶到足夠近的地方。
之前的研究已經證明，這種交換可以被操縱，根本不需要移動電子，這為遠程傳輸提供了一種可能的方法。
上圖中，a量子電路將一個狀態從量子位1傳送到量子位4。b 實驗測得a中65536次單次實現遠傳序列的概率分布，白色的交叉點表示用於計算概率的閾值。c 從 b 中的分布中提取的概率 p。 d 模擬計算的概率，忽略了任何誤差。e模擬概率考慮了讀出誤差、狀態準備誤差、電荷噪聲和超細場。所有的概率都四捨五入到最接近的百分之一。
最新的研究有助於使這一過程更接近技術現實，克服了將量子怪異與現有計算技術連接起來的障礙。
尼科爾認為：「我們為糾纏交換提供了證據，在這種情況下，我們在兩個電子之間創造了糾纏，即使粒子從來沒有相互作用，以及量子門隱形傳態。我們的研究證明，即使沒有光子，也可以做到這一點。」
當然，我們距離用電子代替光子進行這種量子信息傳輸還有一段距離。研究人員還沒有走到測量電子本身狀態的地步，這意味著仍可能有各種問題需要克服。
但有強有力的證據表明電子之間有可能進行遠距離傳輸，這是一個令人鼓舞的信號，為未來工程師們帶來一種技術層面的可能性。
這項研究發表在《自然通訊》上。
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