捕獲光子的新理論,旨在推動量子計算機發展!

2021-01-15 博科園

使用光粒子(光子)而不是電子來傳輸和處理數據的量子計算機，有望開創一個研究的新時代，在這個時代，實現救命藥物和新技術所需的時間將大大縮短。光子是量子計算很有希望的候選者，因為它們可以在不丟失信息的情況下長距離傳播，但當它們存儲在物質中時，就會變得脆弱，易受退相干影響。現在，紐約市立大學研究生中心高級科學研究中心(ASRC)的光子學研究人員開發了一種新協議。

用於存儲和釋放一個嵌入特徵態的光子：一種幾乎不受損耗和退相干影響的量子態。其研究發表在《光學》上，旨在推動量子計算機的發展。ASRC光子學計劃的創始董事、研究生中心愛因斯坦物理學教授安德裡亞·阿魯(Andrea Alu)說：我們的目標是通過同時確保數據穩定性，來存儲和釋放需要的單個光子。研究證明，將單個光子限制並保存在一個開放的腔中是有可能的，直到它受到另一個光子的刺激而繼續傳播。

研究小組使用量子電動力學技術來發展他們的理論。研究了一個由原子和空洞組成的系統——後者是部分開放的，因此通常情況下，被困在系統中的光會洩漏出去，並很快消失。然而，研究小組表明，在一定條件下，破壞性幹涉現象可以防止洩漏，並允許一個光子無限期地駐留在系統中。這種嵌入的特徵態對於存儲信息而不退化非常有用，但是這種受保護狀態的封閉性也會對外部刺激造成屏障，因此單個光子也不能被注入系統。

研究小組通過同時激發兩個或更多光子來克服這一限制，論文第一作者、ASRC光子學計劃(ASRC Photonics Initiative)博士後米歇爾·科特魯夫(Michele Cotrufo)說：我們提出了一個系統，當受到單個光子的激發時，它就像一個封閉的盒子，但當受到兩個或更多光子的撞擊時，它就會非常有效地打開。理論表明，兩個光子可以有效地注入封閉系統。之後，當系統關閉時，一個光子會丟失，另一個光子會被捕獲。儲存的光子有可能無限期地保存在系統中。

在現實系統中，額外缺陷會阻止光子的完美限制，但研究團隊的計算表明，該協議比之前基於單個腔的解決方案表現得更好。研究人員還表明，儲存的激發光子可以通過發送第二個光子脈衝隨需釋放。該團隊的發現有潛力解決量子計算的關鍵挑戰，包括按需生成糾纏光子態和量子記憶，該小組目前正在探索實驗驗證他們理論工作的途徑。

博科園｜研究/來自：紐約市立大學高級科學研究中心參考期刊《光學》DOI: 10.1364/OPTICA.6.000799博科園｜科學、科技、科研、科普

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