以色列研發(fā)原子和光子之間的量子門 構(gòu)建大規(guī)模集成網(wǎng)絡(luò)

光量子|以色列高校研究出原子和光子之間的量子門，能夠構(gòu)建超大規(guī)模集成網(wǎng)絡(luò)，用于的未來量子計(jì)算機(jī)

  ICCSZ訊 未來的量子計(jì)算機(jī)將能夠執(zhí)行當(dāng)今計(jì)算機(jī)無法完成的計(jì)算，如破解安全電子交易加密能力，以及解決方案呈指數(shù)增長的各類復(fù)雜問題等。

  以色列魏茨曼科技學(xué)院(Weizmann)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授Barak Dayan研究出一種可以為量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部和量子計(jì)算機(jī)之間通信所需等“量子門”，能夠使量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展更進(jìn)一步。

  當(dāng)前計(jì)算機(jī)的位只能是“0”或“1”兩種狀態(tài)，與之相比，量子計(jì)算機(jī)的量子比特可以同時(shí)對(duì)應(yīng)于“0”或“1”兩種狀態(tài)，成為量子疊加，位量子比特提供了一種邊緣狀態(tài)，由它們組成的計(jì)算機(jī)可以并行執(zhí)行大量計(jì)算。

  量子計(jì)算機(jī)存在的問題

  但是有一個(gè)問題：量子疊加態(tài)的狀態(tài)只有在外部世界不以任何方式觀察或測(cè)量時(shí)才能存在;否則所有可能的狀態(tài)都會(huì)變成一個(gè)。這導(dǎo)致了相互矛盾的要求：為了使量子位一次存在于幾個(gè)狀態(tài)，它們需要很好地隔離，但同時(shí)它們需要與許多其他量子位進(jìn)行交互和通信。

  這就是為什么盡管世界上有幾家實(shí)驗(yàn)室和公司已經(jīng)展示了具有幾十個(gè)量子比特的小型量子計(jì)算機(jī)，但將這些量化計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到數(shù)百萬量子比特所需的規(guī)模仍然是一個(gè)主要的科學(xué)和技術(shù)障礙。

  量子隔離方法

  一種有希望的解決方案是使用具有小的、可管理的量子位的隔離模塊，當(dāng)需要光學(xué)鏈路時(shí)可以在它們之間進(jìn)行通信。存儲(chǔ)在材料量子位(例如單個(gè)原子或離子)中的信息然后將被轉(zhuǎn)移到“飛行量子比特” - 稱為光子的單個(gè)粒子光。

  該光子可以通過光纖發(fā)送到遠(yuǎn)距離材料量子位并傳輸其信息，而不會(huì)讓環(huán)境感知到該信息的性質(zhì)。創(chuàng)建這樣一個(gè)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是單個(gè)光子攜帶極少量的能量，而包含材料量子位的微小系統(tǒng)通常不會(huì)與這種弱光強(qiáng)烈地相互作用。

  位于魏茨曼科技學(xué)院的Barak Dayan量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室是全球?yàn)閿?shù)不多的專攻這一科學(xué)挑戰(zhàn)的團(tuán)體之一。他們的實(shí)驗(yàn)裝置將單個(gè)原子與芯片上獨(dú)特的微米級(jí)二氧化硅諧振器耦合;光子通過特殊的光纖直接發(fā)送這些光子。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  在之前的實(shí)驗(yàn)中，Dayan和他的團(tuán)隊(duì)展示了他們的系統(tǒng)作為單光子激活開關(guān)的功能，以及從閃光中“采集”單個(gè)光子的方法。在自然物理學(xué)的研究中，Dayan和他的團(tuán)隊(duì)首次成功創(chuàng)建了一個(gè)邏輯門，光子和原子能夠自動(dòng)交換它們攜帶的信息。

  Dayan說，“光子帶有一個(gè)量子比特，原子是第二個(gè)量子比特。每次光子和原子相遇時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)地同時(shí)交換它們之間的量子比特，然后光子繼續(xù)使用新的信息。在量子力學(xué)中，信息無法被復(fù)制或刪除，這種交換信息實(shí)際上是讀寫的基本單位 - 量子通信的‘原生’門。”

  這種類型的邏輯門可用于在量子計(jì)算機(jī)內(nèi)和量子計(jì)算機(jī)之間交換量子位。由于該門不需要外部控制場(chǎng)或管理系統(tǒng)，因此可以構(gòu)建超大規(guī)模集成(VLSI)網(wǎng)絡(luò)的量子等價(jià)物。

  研究意義

  Dayan說，“我們演示的邏輯門適用于所有類型的基于物質(zhì)的量子比特之間的光子通信 - 不僅僅是原子。因此，我們相信它將成為下一代量子計(jì)算系統(tǒng)的重要組成部分。”