新原型設備：或將成為連接量子世界的橋樑

導讀

據奧地利科學技術研究所官網近日報道，該研究所的研究人員發現了一種採用機械振蕩器來產生糾纏輻射的方法。該方法可能會在連接量子計算機時非常有用。

背景

糾纏，是量子世界中的一種典型現象。它不存在於所謂的「經典世界」中。然而，經典世界與其中的物理定律主宰著我們的日常生活。

採用自發參量下轉換技術製備糾纏的光子對（圖片來源：維基百科）

量子糾纏，是一個違反直覺的量子力學特性。它是指在由兩個或兩個以上粒子組成的系統中，粒子之間相互影響的現象。無論兩個粒子之間相距有多遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態。當其中一個粒子的狀態由於被測量而發生變化時，另一個粒子的狀態也會隨即發生相應的變化。

這個現象由愛因斯坦發現，如今活躍地應用於量子密碼學。據說，量子密碼學將帶來牢不可破的代碼。

在城市中實現的量子加密通信（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

但是，不僅粒子會受到糾纏的影響，就連輻射也會是糾纏的。

創新

近日，奧地利科學技術研究所（IST Austria）教授約翰內斯·芬克（Johannes Fink）課題組的物理學家們發現了一種採用機械振蕩器來產生糾纏輻射的方法。論文作者們將這個方法發表在最近一期的《自然（Nature）》期刊上。該方法可能會在連接量子計算機時非常有用。

（圖片來源：IST Austria / Philip Krantz, Krantz NanoArt）

技術

奧地利科學技術研究所（IST Austria）芬克教授課題組的博士後、這項研究的第一作者 Shabir Barzanjeh 解釋道：「讓我們想像一個具有兩個出口的盒子。如果這兩個出口相互糾纏，人們就可以通過觀察另外一個出口來描述其中一個出口發出的輻射。」

糾纏的輻射以前就已經產生過，但是這項研究首次使用了機械物體。團隊創造的硅梁長度達30微米，由一萬億（10^12）個原子組成，雖然在我們的肉眼看來非常小，但是對於量子世界來說卻非常大。

Barzanjeh 表示：「對於我來說，這個實驗從根本上講非常有趣。問題是，我們可以用這麼大的系統產生非經典的輻射嗎？現在我們知道答案是肯定的。」

價值

然而，該設備也有實用價值。機械振蕩器可以作為極度敏感的量子計算機以及光纖（在數據中心內及其他地方連接這些量子計算機）之間的一個紐帶。Barzanjeh 表示：「我們已經為量子鏈路構造出一個原型。」

在超導量子計算機中，電子只能工作在極低的溫度下，即「絕對零度（-273.15 °C）」以上的千分之幾度。這是因為，這種量子計算機在微波光子的基礎上運行，而微波光子對於噪音和損耗極度敏感。如果量子計算機中的溫度升高，所有的信息都會被毀壞。因此，此時將信息從一台量子計算機轉移至另外一台量子計算機幾乎是不可能的，因為信息必須穿越過熱以至於使其無法生存的環境。

從另一方面說，網路中的經典計算機通常通過光纖相互連接，因為光學輻射對於損壞或者毀壞數據的干擾有著很強的抵抗能力。

（圖片來源：RMIT）

為了將這項技術成功應用於量子計算機，我們必須構建一個鏈路，將量子計算機的微波光子轉化為光學信息載體；或者構造一個設備，生成糾纏的「微波-光學」場，作為量子隱形傳態的資源。

（圖片來源：Christoph Hohmann / 慕尼黑納米系統研究）

這種鏈路可以作為室溫光學和低溫量子世界之間的橋樑，而物理學家們開發出的這個設備朝著這個方向邁進了一步。第一作者 Barzanjeh 表示：「我們構造的振蕩器使我們離量子互聯網又更近了一步。」

然而，這並不是該設備的唯一潛在應用。Shabir Barzanjeh 解釋道：「我們的系統也可用於改善引力波探測器的性能。」

引力波頻譜的源與探測器（圖片來源：美國航空航天局戈達德太空飛行中心）

約翰內斯·芬克補充道：「原來，觀測這種穩態糾纏場意味著，製造它的機械振蕩器必須是一個量子物體。這個適用於任何類型的介質，並且不需要直接測量。所以在未來，我們的測量原理可以幫助證實或者證偽其他難以探究系統的潛在量子特性，比如生物體或者引力場。」

關鍵字

量子、計算機、光子、輻射

參考資料

【1】https://ist.ac.at/en/news/building-a-bridge-to-the-quantum-world/

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