【重磅】量子計算新突破：以色列發(fā)明按需產(chǎn)生糾纏光子團簇的設備

科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能保證產(chǎn)生無(wú)盡序列糾纏光子的設備。

【編者按】本文轉載自機器之心，來(lái)源IBTimes，譯者：李亞洲

以色列科學(xué)家發(fā)明了一套設備能在一個(gè)團簇中產(chǎn)生無(wú)限量的糾纏光粒子，這是建立可行的量子計算機所需要的

以色列的科學(xué)家在量子計算的研究上取得了重大突破，創(chuàng )造出了一個(gè)能夠按需產(chǎn)生糾纏光子（光粒子）大團簇的設備，并保證能夠重復產(chǎn)生同樣無(wú)限的結果。

來(lái)自以色列理工大學(xué)（Technion-Israel Institute of Technology）的研究員采用了該大學(xué)Netanel Lindner教授和倫敦帝國理工大學(xué)Terry Rudolph教授2009年提出的概念，也就是創(chuàng )造類(lèi)似于加農炮或機槍的設備保證能按需產(chǎn)生糾纏光子，該概念最終被證實(shí)是能夠實(shí)現的。

如今，全球一批計算機科學(xué)家、工程師、物理學(xué)家正在對一個(gè)被稱(chēng)為量子糾纏的奇特現象進(jìn)行研究，因為糾纏光子可被應用于大量應用中，比如開(kāi)發(fā)能夠解決大數字問(wèn)題的超快的量子計算機，或量子互聯(lián)網(wǎng)中光速一般的超安全的量子通信。

量子糾纏為何對計算很重要

一對糾纏光子

量子糾纏是看起來(lái)反直覺(jué)的物質(zhì)即刻影響彼此的過(guò)程，例如，地球上一個(gè)粒子的測量即刻影響宇宙另一端的另個(gè)粒子。

如今的計算機使用0或1的單個(gè)二進(jìn)制值（被稱(chēng)為一個(gè)比特）組成的代碼，而量子計算機由量子比特組成，它處于疊加態(tài)，也就是同時(shí)可以有1或0的值。光子糾纏對完美適配于該應用，因為每個(gè)糾纏對有無(wú)論光子間相距多遠都在連接的特性。

然而，問(wèn)題是目前難以產(chǎn)生糾纏光子對，更難的是產(chǎn)生糾纏光子對團簇，這對完成量子計算機系統的知名數學(xué)概念很重要，因為一個(gè)團簇狀態(tài)意味著(zhù)所有的量子比特都在以穩健的方式糾纏，以至于無(wú)法將它們分離。

如果你在一個(gè)非線(xiàn)性晶體上照射一道激光，你有機會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)某個(gè)時(shí)候糾纏的光子。即使你可以存儲該光子并復制產(chǎn)生過(guò)程，你也只有很低的概率創(chuàng )造多個(gè)糾纏光子的團簇。

以色列理工大學(xué)的科學(xué)家是世界上第一個(gè)證明產(chǎn)生糾纏對是可能（2006年）的機構，在2014年，斯圖加特大學(xué)的研究員證明按需得到糾纏對也是有可能的。這些所有的研究都是使用一個(gè)“quantum dot”完成的，這是一個(gè)幾十納米的小方塊。它包含嵌入另個(gè)半導體的半導體。

在該工作基礎上，理工大學(xué)的科學(xué)家如今展示了使用quantum dot按需創(chuàng )造一團簇糾纏光子是可能的，同時(shí)保證每個(gè)團簇將總是包含可預測數量的糾纏光子對。

以色列理工大學(xué)物理系的David Gershoni教授說(shuō)，“我們已經(jīng)證明了一種產(chǎn)生糾纏光子團簇狀態(tài)的新方式。我們確信我們能挨次獲得一個(gè)光子，不僅如此，我們也確信每個(gè)光子都糾纏有另個(gè)光子，等等。”

“如果你丟失一個(gè)光子或測量一個(gè)光子，其他光子仍舊糾纏。這在之前是從未有過(guò)的，能夠得到無(wú)限量的糾纏光子。”

該方法可加速量子計算機的發(fā)展

以色列理工大學(xué)的科學(xué)家和他們的激光設備，從左到右：Ido Schwartz、Dan Cogan、David Gershoni 教授、Yaroslav Don 和助理教授 Netanel Lindner

目前建立量子計算機的方式是創(chuàng )造一個(gè)有多數量子比特的系統，比如說(shuō)20個(gè)量子比特，然后建立邏輯門(mén)，量子比特能夠與彼此進(jìn)行通信，并執行量子比特的控制交換從而求解大數字的因數。

然而，其中的問(wèn)題是0和1的值必須要有明確的相，而且并不能持久，所以科學(xué)家必須要在量子比特喪失相干性之前足夠快速的激活門(mén)運算。

目前，全球的研究人員都在使用粒子或原子建立量子計算機系統，比如IBM ，他們正在使用超導線(xiàn)圈作為量子比特。但Gershoni說(shuō)理工大學(xué)研究人員使用光粒子的解決方案更好。

Gershoni解釋說(shuō)，“量物質(zhì)中一個(gè)電子的狀態(tài)并不簡(jiǎn)單，因為它散屑的速度非?？?。物質(zhì)中的測量非常困難。光子的好處是在空氣中它們不會(huì )散屑，而且使用偏振器很容易測量。”

“光是一個(gè)電磁場(chǎng)，偏振器可以告訴你電磁場(chǎng)的方向。光能被水平或垂直的偏振，所以在量子比特中，垂直疊加是1 ，水平疊加是0。很容易對光進(jìn)行測量。如果你知道如何生成團簇狀態(tài)，那你就能通過(guò)測量團簇狀態(tài)中單個(gè)量子比特的狀態(tài)來(lái)做量子計算了。”

該研究成果，已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表在Science上了，論文題目為：Deterministic generation of a cluster state of entangled photons。

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