量子技術新突破：按一下按鈕就能實現量子傳輸！

導讀

在新型量子信息技術中，「脆弱」的量子狀態必須在遙遠的量子位之間傳輸。近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究人員實現了在兩個固態量子位之間的量子傳輸，只需按一下按鈕就可以完成。

背景

無論規模大小，數據傳輸都是現代信息社會的支柱。在互聯網上，數據在全世界範圍內的電腦之間交換，通常使用的是光纖電纜。從另一方面來說，在計算機內，數據必須在不同的處理器之間來回穿梭。可靠的數據交換，對於目前正在開發的新型量子技術來說，也有著非常重要的意義。可是，與此同時，要實現這種可靠的數據交換，難度也非常高。

（圖片來源：巴塞爾大學物理系）

創新

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的一個物理學家團隊，在固體物理實驗室的 Andreas Wallraff 領導下，簡單地按下按鈕，就成功實現了約一米之遙的兩個量子位之間高保真的量子信息傳輸。他們的研究成果發表於這周的科學雜誌《自然（Nature）》。

圖片來源：ETH Zurich /M. Pechal, T. Walter, P. Kurpiers

技術

量子計算機與量子密碼學等量子信息技術的主要特點，就是採用量子位（qubits）作為基本的信息單元。不同於經典的比特位，量子位並不是簡單的表示數據0或者1，而是具有一種所謂的「量子疊加態」，即量子位可能同時處於「即是0又是1」的狀態。

從一方面說，量子位將有利於構建出極其強大的量子計算機，量子計算機可以利用疊加態展開比經典計算機更加高效且快速的運算。從另一方面說，這些狀態也非常敏感，不能簡單地通過傳統技術傳輸。

問題主要是：「靜態」的量子位首先必須被轉化為「飛行」的量子位，例如光子，然後再轉回另外一種「靜態」的量子位。幾年前，研究人員已經能採用這種方式傳輸原子的量子狀態。舉個例子，筆者曾經介紹過西班牙光子科學研究所（ICFO）的研究人員實現了一種基礎的「混合」量子網路連接，採用單個光子作為信息載體，在位於不同實驗室的兩個不同的量子節點之間進行光量子通信。

（圖片來源： ICFO/Scixel）

Wallraff 及其同事也在相隔一定距離的兩個固態超導量子位之間，成功地實現了這種傳輸。為了實現這個目標，物理學家們採用連接天線終端設備的同軸電纜來連接兩個超導量子位。第一個量子位的量子狀態，由包含於其中的超導電子對（也稱為「庫柏對」）的個數來定義。首先，通過採用高度精準控制的微波脈衝，讓第一個量子位的量子狀態傳輸至諧振器的微波光子。然後，從那個諧振器開始，光子會再一次通過微波脈衝，「飛越」同軸電纜到達第二個諧振器，將它的量子狀態傳遞到第二個量子位。近期耶魯大學也開展了相似的實驗。

價值

Wallraff 實驗室的博士生 Philipp Kurpiers 表示：「我們方案的重點在於，量子狀態的傳輸是確定性的，這意味著按一下按鈕就可以使它工作。」在先前的一些實驗中，量子狀態的傳輸也得到了實現，但是傳輸是概率性的：有時候可以成功，但是大多數時間是失敗的。例如，一個成功的傳輸可以通過「宣布式光子」來發送信號。每當傳輸失敗時，就簡單地再試一次。當然，這種方式下有效的量子傳輸比率會大幅降低。因此，對於實際應用來說，確定性方法，例如ETH所演示的，具有明顯的優勢。

Andreas Wallraff 表示：「我們的量子狀態傳輸比率是所有已實現方案中最高的，而且在協議的首次實現中，80%的情況下，傳輸保真度都非常好。」研究人員也採用他們的技術創造出兩個量子位之間高達每秒5萬次的量子糾纏。這種傳輸過程本身只需不足百萬分之一秒，這意味著這種傳輸率提升空間還很大。量子糾纏在兩個相隔遙遠的量子物體之間創造出了密切的聯繫，這種功能可用於密碼學或者量子隱形傳態。

（圖片來源：Christoph Hohmann / 慕尼黑納米系統研究）

未來

下一步，研究人員想要嘗試採用兩個量子位，一個作為發射機，另一個作為接收機，實現一對量子位之間的量子糾纏交換。這種過程對於更為大型的量子計算機非常有用，這些大型量子計算機有望在未來幾年內構建出來。目前的量子計算機只由少數幾個量子位組成，但是當嘗試構建具有幾百個量子位的更大型的量子計算機時，設計人員就必須考慮如何更加有效地連接它們，從而以儘可能最佳的方式展示量子計算機的優勢。

就像如今由單計算機組成的計算機集群一樣，採用Wallraff 的技術，量子計算機模塊也將會被連接到一起。目前的傳輸距離大約是一米，未來這個距離肯定會被增加。近日，Wallraff 及其同事展示了一個超冷的超導線，它可以跨越幾十米的距離以極低的損耗傳輸光子。因此，將它們連接成量子計算中心，未來將極有可能實現。

關鍵字

量子計算、量子加密、量子傳輸、超導

參考資料

【1】https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2018/06/push-button-quantum-transfer.html

【2】Kurpiers P, Magnard P, Walter T, Royer B, Pechal M, Heinsoo J, Salathé Y, Akin A, Storz S, Besse J-C, Gasparinetti S, Blais B, Wallraff A. Deterministic quantum state transfer and remote entanglement using microwave photons. Nature, volume 558, pages 264–267 (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0195-y

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