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硅光子芯片首次实现芯片间的量子隐形传态和多
时间:2020-06-04 06:20


在量子物理学的世界中,信息是无法复制的,然而在经典世界中却是可能发生的。尽管如此,信息原则上可以通过称为量子隐形传态的现象从一个地方转移到另一个地方。

物理学家最新发表在《自然物理学》杂志上的研究中,提出了在硅芯片中实现这一目标的新方法。该研究结果是迈向未来量子通讯的重要基础步骤。

来自布里斯托大学、丹麦技术大学以及维也纳IQOQI研究所的国际科学家团队,现在解决了一个棘手的问题,即如何规避量子力学中的信息不能简单复制的事实。

在量子互联网中,要长距离传输数据,就必须使用所谓的中继器在不同节点之间定期刷新数据,就像在普通互联网中已经发生的那样。为此他们利用了量子纠缠现象,于是就可以使两个粒子也可以长距离保持相互连接,例如光粒子。对其中一个粒子的测量可以确定另一个粒子的量子态,即使它们相距任意远。

集成光子学使量子技术有了很大的进展。许多应用,例如量子通信、传感和分布式云量子计算,都需要在独立的芯片系统之间实现相干光子互连。

大规模的量子计算架构和系统可能最终需要量子互连来实现超越单个晶圆片限制的扩展,并向多芯片系统发展。集成光学为量子信息处理和收发提供了一个通用的平台。量子协议的实现要求能够产生多个高质量的单光子,并使用多个高保真操作器处理光子。

然而由于纠缠的量子态的脆弱性,如何连贯地连接分开的芯片仍然是一个挑战。多个集成设备之间纠缠的分布和处理是这些系统的最严格要求之一。以前的实验演示面临的主要挑战是如何在单一集成系统中实现足够高质量的多光子源和多量子位操作器,另外完全基于芯片的多量子位量子任务的实现仍然是一个重大挑战。

这项研究实现了第一个量子光子互连,使用了最先进的硅光子学技术,展示了高保真纠缠分布和两个独立的光子芯片之间的操作。该研究描述了芯片间量子隐形传态和真正的多光子纠缠,它们是量子技术在硅光子电路上的核心功能。在一组微谐振器源中产生了四个高纯度和不可分辨性的单光子,不需要任何光谱滤波。随着损耗的进一步改善,这种量子光子互连将在量子系统和架构中提供更高的灵活性

在该实验中,英国布里斯托大学的研究人员获得了光粒子之间的通信,这种通信是通过位于分离的硅芯片上的纠缠连接的。他们将携带量子信息的纠缠光子插入空间分离的硅芯片中。然后通过测量第一个芯片上的光子,可以从另一芯片上纠缠的光子的变化中得出第一个芯片的原始状态。因此该信息被间接复制在两个芯片之间。

马库斯·胡贝尔表示,目前这种量子中继器仍是一种概念证明。但是如果可以改进和扩展该技术,则它可能代表未来的量子互联网。 IQOQI研究所的项目组负责人马库斯·胡贝尔和他领导的团队,对英国合作者在实验中进行的方法进行了理论分析。这种方法特别有前景,因为从原理上讲,它可以用已经建立的材料来实现量子隐形态,例如硅芯片和光缆。