金沙澳门官网网址好不轻巧证实:量子通讯中“Bell不等式”的显著违反

金沙澳门官网网址 1

有效地生成远程量子节点之间的纠缠是保证量子通信安全的关键一步。在过去的研究中,纠缠常常使用许多不同的概率方案来实现。最近,一些研究也利用基于超导量子位元的方法,提供了确定性远端纠缠的证明。尽管如此,在超导量子通信体系结构中对贝尔不等式(一种强量子相关性度量)的确定性违反,迄今尚未得到证实。芝加哥大学一个研究小组用远程连接的超导量子位证明了贝尔不等式的违反。

芝加哥大学分子工程研究所科学家们在发展量子技术的探索中取得了两个突破。在一项研究中,他们首次使用声音纠缠了两个量子比特;在另一项研究中建立了迄今为止质量最高的两个量子位元之间的远距离连接。这项研究工作让我们离利用量子技术制造更强大的计算机、超敏感传感器和安全传输又近了一步。该研究的合着者、IME和芝加哥大学附属阿贡国家实验室分子工程学老约翰·a·麦克林教授安德鲁·克莱兰说:这两项技术都是量子通信领域的革命性进步!

量子信息平台是基于相互通信的量子位元,而光子是选择的载体——到目前为止,在量子位元之间传输量子态。然而在一些固态系统中,被称为声子材料本身声学振动特性可能是有利的。在表在《科学进展》(Science
Advances)期刊上的一项研究中,美国分子工程、物理和材料科学跨学科部门的b·比恩费特(B.
Bienfait)及其同事描述了通过声学通信通道对旅行声子的确定性发射和捕获,从而实现基于声子的量子态相干转移。

金沙澳门官网网址 2

金沙澳门官网网址 3

金沙澳门官网网址 3

其研究成果发表在《自然物理》(Nature
Physics)上,介绍了一种在超导系统中实现这一基准测试结果的简单而稳定的体系结构。开展这项研究的研究人员之一安德鲁·克莱兰(Andrew
Cleland)说:在开发量子力学可以用于信息处理和传感的实验系统方面,有很多兴趣和活动。量子信息系统的核心是量子位,它的独特性来自于可以存储在其中的量子态,以及可以使用多个量子位存储的更复杂的量子态。我们感兴趣的是探索量子信息和量子状态的传输——量子通信的基础。

作为超导量子技术发展的领导者,研究团队建造了第一台“量子机器”,在一个机械谐振器中展示了量子性能。其中一个实验展示了我们现在可以达到的精度和准确度,另一个实验展示了这些量子位元的一种基本新能力。科学家和工程师们看到了量子技术的巨大潜力。量子技术利用自然界粒子的奇特特性来操纵和传输信息。例如,在某些条件下,两个粒子可以“纠缠”——即使它们没有物理上的联系,但它们的命运也是相连的。缠绕粒子可以让你做各种各样很酷的事情,比如把信息瞬间传送到太空,或者建立一个不可破坏的网络。

科学家们让声子从一个超导量子位元转移到另一个量子位元,并在研究期间观察了两个量子位元在声道中的量子纠缠(每个粒子的量子态不能独立于另一个粒子的量子态来描述)。Bienfait等人提供了一种新的方法来耦合混合量子固态系统,该系统使用表面声波作为量子通信中的“良好振动”,用于未来的声子应用。声子,或者更具体地说,表面声波声子,被提出作为一种相干耦合遥远的固态量子系统的方法。例如,共振结构中的单个声子可以用超导量子位(描述为宏观、光刻定义的人工原子)来控制和检测,从而产生和测量复杂、稳定的声子状态。

金沙澳门官网网址 5

金沙澳门官网网址 6

金沙澳门官网网址 7

量子态,以及其中存储的信息,都是非常微妙,远比经典态和经典存储的信息要微妙得多。虽然理论上有办法修正量子态的误差,但一般只能修正很小的误差;因此,量子态通信需要非常高的精度。迄今为止,量子态的高保真传输是通过有限的几种方法实现。研究人员想看看是否能利用现有一些最好的量子位元,超导量子位元,以及将超导量子位元与通讯线路耦合的最好工具,来证明我们能以非常高的精度传输量子态。

分子工程研究所的研究人员致力于超导量子技术。图片:Nancy Wong

实验装置:倒装芯片组装装置,两个超导量子位连接到两个可调谐耦合器上,这两个可调谐耦合器通过两个叠加电感连接到一个SAW谐振器上,这两个可调谐耦合器连接在蓝宝石上。图片:Science

金沙澳门官网网址 8

但是这项技术还有很长的路要走——确切地说:一个巨大的挑战是沿着电缆或光纤发送量子信息,无论距离有多远。发表在《自然物理》上的一项研究中,克莱兰实验室利用超导量子位元构建了一个系统,该系统可以沿着一条近一米长的轨道交换量子信息,具有极高的可信度——此前已经证明,该系统的性能要高得多。克莱兰研究组的研究生、论文第一作者钟友鹏说:这种耦合是如此之强,以至于我们可以证明一种叫做‘量子乒乓’的量子现象——当单个光子反弹回来时,发射并捕捉它们。

在本研究中,Bienfait等报道了确定发射和捕获行表面声波声子,从而在实验装置中允许两个超导量子位元的量子纠缠。他们在实验中使用了一个2毫米长的声学量子通信通道,这使得一条大约500纳秒的延迟线能够演示声子的发射和重获。科学家们以67%的效率观察了两个超导量子位元之间的量子态转移,利用声子的部分转移,产生了一个保真度为84%的纠缠钟对。在分布式量子信息处理中,电磁波作为远距离量子节点间量子信息的载体发挥着独特作用。

在量子物理学中,检验某一类量子态的“黄金标准”是贝尔不等式。从本质上讲,只有在量子态准备好、通信好和测量精度高的情况下,量子态特性的一组特定测量值才可能超过经典的限制值2。在准备、传输或测量量子态时所犯的错误,往往会使量子态变得更经典,而且很难超过经典的极限。超过这个极限被称为违反贝尔不等式,是‘量子性’的证明。这就是我们要实现的测量,通过非常精确地在两个量子位元之间产生、传输和捕获量子信息来测量量子态的S。

金沙澳门官网网址 9

金沙澳门官网网址 10

金沙澳门官网网址 11

博士后研究员Audrey Bienfait和研究生Youpeng
Zhong在芝加哥大学分子工程研究所Andrew
Cleland教授的实验室工作。图片:Nancy Wong

分子工程研究所的研究人员致力于超导量子技术。图片:Nancy Wong

幸运的是,科学家们做到了!在实验中,克莱兰和同事使用了两个超导量子位元,它们通过一条大约1米长的传输线相互连接。量子信息是通过微波沿着这条线传输,其频率与手机通讯的频率相似。克莱兰说:非常重要的是,我们还在每一个量子位元和线路之间安装了电控‘耦合器’。这些耦合器非常重要,因为它们允许我们利用经典电信号,非常快速地控制量子位元与线路的耦合。

科学家突破之一是制造出正确的设备来发送信号,关键是要把脉冲正确地塑造成弧形,就像以正确的速度缓慢地打开和关闭阀门一样。这种“节流”量子信息的方法帮助他们获得了如此清晰的信息,以至于该系统可以通过一个被称为“贝尔测试”的量子纠缠金标准测量。这是超导量子位元的首次应用,它可以用于建造量子计算机以及量子通信。另一项研究发表在《科学》上,展示了一种利用声音纠缠两个超导量子位元的方法。科学家和工程师在推进量子技术过程中面临的一个挑战是,如何将量子信号从一种介质转换成另一种介质。

先前量子实验使用微波光子来证明超导体量子位元之间产生的确定性和概率性远端纠缠,以达到60%到95%的纠缠信度。对于某些固态量子系统,例如静电定义的量子点或电子自旋,电子的量子特性,与宿主材料的强相互作用使声振动成为比光子候选体更好的选择。例如,表面声波声子被认为是耦合远程量子系统的通用介质。这些声子还可以有效地在微波和光学频率之间转换,将微波量子位元与光学光子连接起来。因此,许多人在实验之后提出了用超导量子位元来显示行锯声子的相干发射和探测,而声音则扮演光的角色。

金沙澳门官网网址 12

金沙澳门官网网址 13

金沙澳门官网网址 14

这些电控耦合器是研究人员实验的一个关键组成部分,因为它们使耦合器能够非常精确地及时“成形”耦合器。这些耦合器确保了携带量子信息的微波以正确的方式在两个量子位元之间传输。这最终确保量子信息的发送和接收误差最小。实验表明,非常精确的量子信息可以沿着相当长的通信路径发送,在实验中,这条路径的长度接近一米。我们使用的方法适用于任何长度的线。这证明了为这种几乎没有错误的传输所制定的理论方法是正确的,并且对未来的量子通信系统有很大希望。

例如,微波光非常适合在芯片内部携带量子信号,但不能通过空气中的微波发送量子信息,信号被淹没了。研究小组建立了一个系统,可以将量子位元的微波语言转换成声波,并让它穿过芯片——使用另一端的接收器进行反向转换。这项研究的第一作者、博士后研究员奥德丽·比恩费特(Audrey
Bienfait)说:这需要一些创造性的工程技术,微波和声学不是朋友,所以我们必须把它们分别放在两种不同的材料上,然后把它们叠在一起。但现在我们已经证明这是可能的,它为量子传感器开启了一些有趣的新可能性。

左图:简化电路图,翻转铌酸锂芯片上的灰框表示元件。右图:详细描述IDT和布拉格反射镜的扫描电子显微图。在最大耦合下测量的提取的量子位元衰减速率。衰变主要由IDT的声子发射所控制。蓝色圆圈是从指数衰减拟合中提取;红色虚线为预测电路模型。图片:Science

金沙澳门官网网址 15

金沙澳门官网网址 16

科学家们已经使用旅行锯声子在量子点之间转移电子,从而使航天飞机运送单个电子,将它们耦合到氮空位中心,甚至驱动碳化硅自旋。在之前的工作中,研究人员还设计了驻波声锯声子相干耦合到超导量子位元,以按需创建、检测和控制量子声学状态。因此,Bienfait等人在本研究中利用行波声子实验实现了两个超导量子位元之间量子态的传输。在器件的声学部分使用具有2毫米有效法布里

克莱兰和同事进行的这项研究介绍了一种简单而有效的方法,利用远程超导量子位元来实现对贝尔不等式的违反。然而,由于他们实验中使用的量子位元与微波通讯,该方法只能在非常低的温度下工作。为了通过空气传递量子信息,研究人员需要开发新的技术,利用红外线或可见光也能获得类似的结果。研究人员现在正计划做这个实验的更复杂版本,使用更多的量子位元和更多传输线,来测试更先进的量子通讯和量子纠错理论。也在开发方法,试图用红外线做同样的事情,这样信号就可以通过光纤或太空发送。

博科园-科学科普|研究/来自: 芝加哥大学

相关文章

网站地图xml地图