日本科学家开发精密控制量子纠缠态的新技术,成功率提高60倍

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30 年前人们对量子计算机的想象是,它有潜力能快速精确地完成一些对人类和传统计算机来说不可能的事情。但是一个很大的问题是:微尺度量子效应很容易崩溃,以至于可靠供应能量的计算机一直无法真的实现。

现在,日本的一组科学家或许已经克服了这个障碍。他们用激光开发出一个精确持续的控制技术,其持续维持「量子比特」生命周期的成功率要比之前的技术高上 60 倍,而量子比特是量子计算机编码的基本单元。尤其是这些研究者已经展示出他们能持续创造一个纠缠状态的量子行为——纠缠超过一百万个不同的物理系统。在他们数据存储的调查范围内,这是一个世界记录。

这一成果非常重要,因为纠缠的量子粒子,比如原子、电子和光子,都是量子信息处理的来源,而这些是由微小尺寸下的量子行为创造出来的。利用它们开创了一个崭新的信息技术时代。在叠加和纠缠这些行为中,量子粒子能同时处理巨量的计算任务。他们的研究报告发表在本周的 APL Photonics 期刊上。

「在量子信息处理中,量子比特的生命周期有一个问题。我们已经解决了这个问题,而且我们能在我们想要的任何时间段内持续进行量子信息处理,」东京大学工程学院应用物理系的 Akira Furusawa 解释道,他是该项研究的领导人。

「这一成果最困难的地方是被压缩(squeezed)的光束之间的连续相位锁定,但是我们已经解决了这个问题。」基于集成电路和硅芯片的计算机是当下主导的信息处理技术,而量子计算机被认为继它们之后的下一代计算。目前计算机使用一长串的 0 和 1,也被称为 bit,来处理信息。相比之下,量子计算机通过利用量子力学的强大力量,能编码在量子状态下被称为量子比特的 0 和 1。量子比特有两种不寻常的配置方式:「叠加」和「纠缠」。

量子系统可以同时以好几种状态存在,比如衰变和未衰变两种状态的叠加。粒子也表现出纠缠的量子行为,这是量子之间的亲密性质,能将它们完美地结合在一个共同的存在中,即使它们之间的距离非常远。用爱因斯坦的话说,就是鬼魅。

接下来在迈向量子计算粒子的道路上,Furusawa 设想要创建二维和三维的晶格状的纠缠状态。「这将会使我们实现拓扑量子计算,一种非常强大的量子计算,」他说。


论文:Invited Article: Generation of one-million-mode continuous-variable cluster state by unlimited time-domain multiplexing

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摘要:在最近的量子光学的连续可变实验中,完全不可分的光模式的数量通过引入一个复用方案(不管是时域还是频域)而实现了急剧的增长。其中,Yokoyama et al.[Nat. Photonics 7, 982 (2013)] 报告了在时域复用进行修改的实验的成果,我们的研究表明其可以连续生成超过一百万种模式的完全不可分的光模式(fully inseparable light modes)。我们所得到的多模式状态可用作双轨连续可变集群状态(dual-rail continuous variable cluster state)。我们通过光学系统的连续反馈控制规避了之前的光学相位漂移(optical phase drifts)问题,这个问题将完全不可分光模式的数量限制在了大约一万。

论文地址:Invited Article: Generation of one-million-mode continuous-variable cluster state by unlimited time-domain multiplexing

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