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美国物理学家证实:信息可以在电子之间实现量子远距离传输

2020/6/27 9:32:15 来源:原创 浏览:


信息可以在电子之间实现量子远距离传输

通过利用量子纠缠,美国物理学家已经找到了可以让信息在电子之间远距离传输的方法。

在光子之间传送信息已经在之前的研究中得以实现。最新的研究实现的电子对之间的量子远距离传输,这可能有助于将量子计算与更传统的电子设备连接起来。


纽约罗切斯特大学的物理学家约翰·尼科尔

纽约罗切斯特大学的物理学家约翰·尼科尔(John Nichol)说:“我们的研究证明,即使没有光子,即使粒子从未相互作用,我们也能在两个电子之间产生纠缠,以及实现量子门隐形传态。”

纠缠是物理学术语。通俗来说,如果你从商店买了一双鞋,但遗忘了一只在店里,你一回家就会自动知道它属于哪只脚。这双鞋在某种程度上说是纠缠在一起的。

如果在你回来的时候,店主拿出了另外一只鞋,你会认为他们要么是记得你的销售情况,要么是刚好猜测对。

在你看这只鞋子之前,真正的诡异的事情就出现了,你不知道这只鞋是左脚还是右脚。就在那一刻,店里遗留的那只也会因为你观察家中的鞋子而突然变形。

在物理学家提出量子纠缠理论后近一个世纪后,我们现在知道纠缠粒子之间的传送是宇宙在基本层面上的运作方式。

虽然这并不是科幻电影中的传送方式,但描述这种信息跳跃在进行特殊类型的计算时可能会非常有用。

典型的计算机逻辑是由位的二进制语言组成的,标记为1和0。量子计算是用可以同时占据两种状态的量子位构建的,它提供了更大的可能性,这是经典技术无法触及的。

问题在于,宇宙就像一双大鞋,当任何一个量子比特与环境互动的那一刻,都有可能将你“猜哪只脚” 的游戏变成一场噩梦般的赌博。

由于光子可以通过真空或光纤在巨大的距离内以光速快速分离,操纵光子传输其纠缠状态变得更加容易。

但分离纠缠电子对则是一个更大的挑战,因为它们在反弹时的笨拙相互作用几乎肯定会破坏它们数学上的纯量子状态。

不过,这是一个非常值得努力的挑战。

尼科尔说:“单个电子是很有前途的量子,因为它们非常容易相互作用,而且半导体中的单个电子量子也是可扩展的。可靠地创建电子之间的长距离相互作用对于量子计算来说至关重要。”

为了实现这一目标,物理学家和工程师团队利用了支配构成原子和分子的基本粒子保持其位置的法则。


上图中,a为有条件纠缠交换的电路图。b左侧的无条件单子概率p(SL)没有振荡,但p(SL∣SR)和p(SL∣TR)有明显的单子-三子振荡。模拟预测以相同的颜色显示。 c在量子位1和2上测量的提取振荡频率与重复数与测量的超细梯度的比较。d 条件门传送的电路图。 e只显示出微弱的振荡,但p(SR∣SL)和p(SR∣TL)显示出突出的单三态振荡。f 提取的纠缠交换和门-远传振荡频率与重复次数的比较。

任何两个具有相同量子自旋状态的电子都不能占据空间中的同一位置。但有一点漏洞:附近的电子可以交换它们的自旋,就像你的脚可以交换鞋子一样,如果你把它们带到足够近的地方。

之前的研究已经证明,这种交换可以被操纵,根本不需要移动电子,这为远程传输提供了一种可能的方法。


上图中,a量子电路将一个状态从量子位1传送到量子位4。b 实验测得a中65536次单次实现远传序列的概率分布,白色的交叉点表示用于计算概率的阈值。c 从 b 中的分布中提取的概率 p。 d 模拟计算的概率,忽略了任何误差。e模拟概率考虑了读出误差、状态准备误差、电荷噪声和超细场。所有的概率都四舍五入到最接近的百分之一。

最新的研究有助于使这一过程更接近技术现实,克服了将量子怪异与现有计算技术连接起来的障碍。

尼科尔认为:“我们为纠缠交换提供了证据,在这种情况下,我们在两个电子之间创造了纠缠,即使粒子从来没有相互作用,以及量子门隐形传态。我们的研究证明,即使没有光子,也可以做到这一点。”

当然,我们距离用电子代替光子进行这种量子信息传输还有一段距离。研究人员还没有走到测量电子本身状态的地步,这意味着仍可能有各种问题需要克服。

但有强有力的证据表明电子之间有可能进行远距离传输,这是一个令人鼓舞的信号,为未来工程师们带来一种技术层面的可能性。

这项研究发表在《自然通讯》上。

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