量子计算新突破:以色列发明按需产生纠缠光子团簇的设备

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以色列科学家发明了一套设备能在一个团簇中产生无限量的纠缠光粒子,这是建立可行的量子计算机所需要的。

以色列的科学家在量子计算的研究上取得了重大突破,创造出了一个能够按需产生纠缠光子(光粒子)大团簇的设备,并保证能够重复产生同样无限的结果。

来自以色列理工大学(Technion-Israel Institute of Technology)的研究员采用了该大学 Netanel Lindner 教授和伦敦帝国理工大学 Terry Rudolph 教授 2009 年提出的概念,也就是创造类似于加农炮或机枪的设备保证能按需产生纠缠光子,该概念最终被证实是能够实现的。

如今,全球一批计算机科学家、工程师、物理学家正在对一个被称为量子纠缠的奇特现象进行研究,因为纠缠光子可被应用于大量应用中,比如开发能够解决大数字问题的超快的量子计算机,或量子互联网中光速一般的超安全的量子通信。

量子纠缠为何对计算很重要

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一对纠缠光子

量子纠缠是看起来反直觉的物质即刻影响彼此的过程,例如,地球上一个粒子的测量即刻影响宇宙另一端的另个粒子。

如今的计算机使用 0 或 1 的单个二进制值(被称为一个比特)组成的代码,而量子计算机由量子比特组成,它处于叠加态,也就是同时可以有 1 或 0 的值。光子纠缠对完美适配于该应用,因为每个纠缠对有无论光子间相距多远都在连接的特性。

然而,问题是目前难以产生纠缠光子对,更难的是产生纠缠光子对团簇,这对完成量子计算机系统的知名数学概念很重要,因为一个团簇状态意味着所有的量子比特都在以稳健的方式纠缠,以至于无法将它们分离。

如果你在一个非线性晶体上照射一道激光,你有机会产生两个某个时候纠缠的光子。即使你可以存储该光子并复制产生过程,你也只有很低的概率创造多个纠缠光子的团簇。

以色列理工大学的科学家是世界上第一个证明产生纠缠对是可能(2006 年)的机构,在 2014 年,斯图加特大学的研究员证明按需得到纠缠对也是有可能的。这些所有的研究都是使用一个「quantum dot」完成的,这是一个几十纳米的小方块。它包含嵌入另个半导体的半导体。

在该工作基础上,理工大学的科学家如今展示了使用 quantum dot 按需创造一团簇纠缠光子是可能的,同时保证每个团簇将总是包含可预测数量的纠缠光子对。

以色列理工大学物理系的 David Gershoni 教授说,「我们已经证明了一种产生纠缠光子团簇状态的新方式。我们确信我们能挨次获得一个光子,不仅如此,我们也确信每个光子都纠缠有另个光子,等等。」

「如果你丢失一个光子或测量一个光子,其他光子仍旧纠缠。这在之前是从未有过的,能够得到无限量的纠缠光子。」

该方法可加速量子计算机的发展

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以色列理工大学的科学家和他们的激光设备,从左到右:Ido Schwartz、Dan Cogan、David Gershoni 教授、Yaroslav  Don 和助理教授 Netanel Lindner

目前建立量子计算机的方式是创造一个有多数量子比特的系统,比如说 20 个量子比特,然后建立逻辑门,量子比特能够与彼此进行通信,并执行量子比特的控制交换从而求解大数字的因数。

然而,其中的问题是 0 和 1 的值必须要有明确的相,而且并不能持久,所以科学家必须要在量子比特丧失相干性之前足够快速的激活门运算。

目前,全球的研究人员都在使用粒子或原子建立量子计算机系统,比如 IBM ,他们正在使用超导线圈作为量子比特。但 Gershoni 说理工大学研究人员使用光粒子的解决方案更好。

Gershoni 解释说,「测量物质中一个电子的状态并不简单,因为它散屑的速度非常快。物质中的测量非常困难。光子的好处是在空气中它们不会散屑,而且使用偏振器很容易测量。」

「光是一个电磁场,偏振器可以告诉你电磁场的方向。光能被水平或垂直的偏振,所以在量子比特中,垂直叠加是 1 ,水平叠加是 0。很容易对光进行测量。如果你知道如何生成团簇状态,那你就能通过测量团簇状态中单个量子比特的状态来做量子计算了。」

该研究成果,已经公开发表在 Science 上了,论文题目为:Deterministic generation of a cluster state of entangled photons

产业量子计算工程
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