研究成果发表在《自然物理学》杂志上,论文题为《芯片到芯片的量子隐形传态和硅片中的多光子纠缠》。
英国布里斯托大学和丹麦技术大学的科学家们首次实现了两块计算机芯片之间的量子隐形传态(teleportation)。该团队设法将信息从一块芯片立即发送到另一块芯片,两块芯片无需物理或电子连接,这一壮举为量子计算机和量子互联网打开了大门。
这种隐形传态因一种名为“量子纠缠”的现象而成为可能,量子纠纷是指两个粒子相互纠缠在一起,可以远距离“通信”。改变一个粒子的性质将导致另一个粒子的性质也立即改变,无论两个粒子之间相隔多少空间。实际上,信息是在它们之间隐形传态的。
根据假设,量子隐形传态适用的距离没有限制——这引发了一些奇怪的影响,连爱因斯坦本人也困惑不已。我们目前对物理学的理解表明,没有任何东西能够以比光速更快的速度传输;不过就量子隐形传态而言,信息似乎打破了这一速度限制。爱因斯坦称之为“远距离的怪异动作”。
充分利用这种现象显然大有助益,而这项新研究有助于使这种现象更接近现实。该团队在芯片上生成了纠缠的光子对,然后对一个纠缠的光子进行量子测量。这番观察会改变光子的状态,随后这些变化立即运用于另一块芯片中的对应光子。
研究论文的合著者Dan Llewellyn说:“我们在实验室中能够演示两块芯片之间高质量的纠缠链路,其中任何一块芯片上的光子共享一个量子状态。然后对每块芯片进行完全编程,以执行一系列利用纠缠现象的演示。最主要的演示是两块芯片之间的隐形传态实验,其中在执行量子测量后,粒子的单个量子状态在两块芯片之间传输。这种测量利用了量子力学的奇特行为,这种行为就是在破坏纠缠链路的同时,将粒子状态传输到已经在接收器芯片上的另一个粒子。”
A)芯片简图。黑色线表示单个光子的单一模式波导,红色和黑色脉冲表示每条路径中的光子能。黄色条表示外部相位控制。B)隐形传态结构。C)纠缠交换结构。D)4光子的GHZ状态准备。
该团队声称隐形传送的成功率为91%,并且设法执行了对于量子计算而言将很重要的另外一些功能。这包括纠缠交换(状态可以通过介体在从未直接相互联系的粒子之间传递)以及将多达四个光子纠缠在一起。
之前,信息在远得多的距离上实现隐形传态——先是在一个房间内,随后是25公里,接着是100公里,最后通过卫星超过1200公里。以前这种操作也可以在单块计算机芯片的不同部分之间完成,但是在两块不同芯片之间实现隐形传态却是量子计算界的一大突破。
论文第一作者、如今在北京大学的Jianwei Wang博士说:“将来,单单一块硅芯片整合量子光子器件和经典的电子控制部件,这将为完全基于芯片的与CMOS兼容的量子通信和信息处理网络打开大门。”
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