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首个双芯片之间的量子纠缠,迎来突破性进展

   日期:2020-01-12     浏览:17    评论:0    
核心提示:量子光子器件和经典电子控制的单硅芯片集成在不远的未来将打开一扇大门,让兼容CMOS技术的完全利用芯片的量子通信和信息处理网络成为可能,这项研究为用于量子通信和计算的大规模集成量子光子技术奠定了基础。

前言:

基于量子物理学定律而发展出的信息处理技术,然而这些技术都依赖于量子信息,信息通常被编码在单光子中,它们在长距离传输量子信息以及精确处理量子信息方面具有独特的能力。

首个双芯片之间的量子纠缠,迎来突破性进展

首个双芯片之间的量子纠缠

最近,来自英国布里斯托大学和丹麦技术大学的科学家们,首次实现了两个计算机芯片之间的量子隐形传态。

也就是说,在不需要任何物理和电子连接的情况下,信息能够从一个芯片即时传送到另一个芯片。这一壮举可谓是为量子计算机和量子互联网打开了大门。

布里斯托尔大学的科学家们与丹麦技术大学(DTU)合作,成功地开发出了芯片级别的设备,这些设备能够通过在可编程的纳米级电路中产生和操纵光的单个粒子来驾驭量子物理的应用。

这些芯片能够在电路内部产生的光中对量子信息进行编码,能够高效、低噪声地处理“量子信息”。这个演示可以显著提高制造更复杂的量子电路的能力,而这些电路是量子计算和通信所需要的。

在一项突破性的实验中,布里斯托尔大学量子工程技术实验室(QET实验室)的研究人员首次演示了两个可编程芯片之间的信息量子隐形传态,他们认为这是量子通信和量子计算的基石。

他们能够在实验室中证明两个芯片之间存在高质量的纠缠关系,其中两个芯片上的光子共享一个量子态

利用量子纠缠进行通信的能力

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。

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,认为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。

该研究中多光子多量子比特态的产生、处理、收发和测量都是在微米级硅芯片上实现的,芯片由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造。实验结果表明,这种量子隐形传态的保真度极高,达到了91%。

此外,研究人员还展示了其他一些重要功能,如纠缠交换和四光子GHZ(Greenberger–Horne–Zeilinger)态,后者对量子中继器、量子计算机和量子互联网等领域十分重要。

量子纠缠和量子互连

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。

为此实验人员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。

信息似乎打破了速度限制

这种隐形传态是通过一种叫做量子纠缠的现象实现。在这种现象中,两个粒子纠缠在一起,这样它们就可以远距离“交流”。

而无论两个粒子之间的距离有多远,改变其中一个粒子的性质,另一个粒子也会立即发生改变。因此,信息在它们之间发生了传递。

理论上,量子隐形传态的运行距离是无限的,这就引出了一些奇怪的推论,甚至连爱因斯坦自己都感到困惑。

目前对物理学的理解是,没有什么东西能比光速更快。然而,随着量子隐形传态的出现,信息似乎打破了这个速度限制。此次的新研究,让这一现象更加接近现实。

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。

难以控制和测量

这一技术的难点是,信息编码在单个微粒对中,难以控制和测量。该研究团队很好地利用量子纠缠现象将不同芯片连接在一起,通过操控一个粒子激发粒子对中位于其他芯片中的另一个粒子发生变化,从而实现了两个芯片中,信息在未连接状态下的即时传输,更恰当的说这是一种粒子感应现象。

但更重要的是星际间的通讯,将来人类想往别的星球上搞科研或者移民,即便以光速通讯仍然有很长的延时,但是量子纠缠效应下的通讯却可以即时传输,所以也可以说的纠缠通信技术是将来星际间传播的必备手段。

虽然这并不是迈向全面的量子计算的一步,但是,两块硅片利用量子纠缠进行通信的能力是世界上第一个,也是量子计算和量子互联网建设中必不可少的一步。

结尾:

量子光子器件和经典电子控制的单硅芯片集成在不远的未来将打开一扇大门,让兼容CMOS技术的完全利用芯片的量子通信和信息处理网络成为可能,这项研究为用于量子通信和计算的大规模集成量子光子技术奠定了基础。

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