以色列研發(fā)原子和光子之間的量子門 構建大規(guī)模集成網絡

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

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

  以色列魏茨曼科技學院(Weizmann)量子光學實驗室教授Barak Dayan研究出一種可以為量子計算機內部和量子計算機之間通信所需等“量子門”，能夠使量子計算機的發(fā)展更進一步。

  當前計算機的位只能是“0”或“1”兩種狀態(tài)，與之相比，量子計算機的量子比特可以同時對應于“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)，由它們組成的計算機可以并行執(zhí)行大量計算。

  量子計算機存在的問題

  但是有一個問題：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量時才能存在;否則所有可能的狀態(tài)都會變成一個。這導致了相互矛盾的要求：為了使量子位一次存在于幾個狀態(tài)，它們需要很好地隔離，但同時它們需要與許多其他量子位進行交互和通信。

  這就是為什么盡管世界上有幾家實驗室和公司已經展示了具有幾十個量子比特的小型量子計算機，但將這些量化計算機擴展到數百萬量子比特所需的規(guī)模仍然是一個主要的科學和技術障礙。

  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，當需要光學鏈路時可以在它們之間進行通信。存儲在材料量子位(例如單個原子或離子)中的信息然后將被轉移到“飛行量子比特” - 稱為光子的單個粒子光。

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

  位于魏茨曼科技學院的Barak Dayan量子光學實驗室是全球為數不多的專攻這一科學挑戰(zhàn)的團體之一。他們的實驗裝置將單個原子與芯片上獨特的微米級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。

  實驗結果

  在之前的實驗中，Dayan和他的團隊展示了他們的系統(tǒng)作為單光子激活開關的功能，以及從閃光中“采集”單個光子的方法。在自然物理學的研究中，Dayan和他的團隊首次成功創(chuàng)建了一個邏輯門，光子和原子能夠自動交換它們攜帶的信息。

  Dayan說，“光子帶有一個量子比特，原子是第二個量子比特。每次光子和原子相遇時，它們會自動地同時交換它們之間的量子比特，然后光子繼續(xù)使用新的信息。在量子力學中，信息無法被復制或刪除，這種交換信息實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算機內和量子計算機之間交換量子位。由于該門不需要外部控制場或管理系統(tǒng)，因此可以構建超大規(guī)模集成(VLSI)網絡的量子等價物。

  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算系統(tǒng)的重要組成部分?！?