首次實現(xiàn)雙芯片之間的量子糾纏

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我們已經(jīng)進入一個新的“量子時代”，這些基于量子物理學(xué)定律而發(fā)展出的信息處理技術(shù)，將對現(xiàn)代社會產(chǎn)生深遠的影響。例如，量子霸權(quán)已經(jīng)實現(xiàn)，量子計算機在未來可以解決即便是最強大的超級經(jīng)典計算機也無法解決的復(fù)雜問題；再比如，具有特殊訪問方式的量子互聯(lián)網(wǎng)可以保護全世界的信息安全，從根本上避免惡意攻擊。

然而，這些技術(shù)都依賴于一個重要的概念——“量子信息”，信息通常被編碼在單光子中，它們在長距離傳輸量子信息以及精確處理量子信息方面具有獨特的能力。然而它們極難被控制和測量。

在一項新的研究中，一組國際科學(xué)家合作研發(fā)出了能在可編程的納米級電路中產(chǎn)生和操縱單光子的芯片設(shè)備。在他們進行的一系列突破性實驗中，首次實現(xiàn)了兩個可編程芯片之間的信息量子隱形傳態(tài)，演示了兩個芯片之間的糾纏，在兩個芯片上的光子共享同一種量子態(tài)。

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量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏來將量子粒子的量子態(tài)從一個地方傳送到另外一個地方的。在量子糾纏中，兩個相互作用的粒子之間可以進行遠距離“通信”。不管它們相隔多遠，都可以瞬間共享物理狀態(tài)，改變一個粒子的狀態(tài)就會導(dǎo)致另一個粒子立即改變。隱形傳態(tài)不僅對量子通信有用，同時還是光學(xué)量子計算的基本組成。然而，要真正在實驗室中讓兩個芯片之間建立一個糾纏的通信鏈路卻是極具挑戰(zhàn)的。

利用半導(dǎo)體制造技術(shù)，原子、電子和光子等量子信息的天然載體可被嵌入集成器件中。集成光學(xué)為大規(guī)模的量子信息處理和光子收發(fā)提供了一個平臺。然而，先前的實驗均在產(chǎn)生多個明亮、純凈且相同的單光子方面遇到了困難，另外在保持較高保真度的情況下糾纏多個光子量子位也是很具有挑戰(zhàn)性的事。

在新的研究中，科學(xué)家通過使用硅來研發(fā)最先進的多光子多量子位量子器件，集成了非線性多光子源和線性多量子位電路，實現(xiàn)了芯片上的真正多組分糾纏（GME）和量子隱形傳態(tài)。這些芯片能夠在產(chǎn)生于電路內(nèi)的光中對量子信息進行編碼，以高效而低噪聲的表現(xiàn)對量子信息進行處理。這可以大大提高生成量子計算機和量子通信所需的更復(fù)雜的量子電路的能力。

根據(jù)參與研究的丹·盧埃林（Dan Llewellyn）介紹，研究人員在實驗室里實現(xiàn)了兩個芯片之間的高質(zhì)量糾纏，兩個芯片上的光子共享一個量子態(tài)。然后，每個芯片都被完全編程，并執(zhí)行一系列利用量子糾纏現(xiàn)象的演示。其中最有代表性的就是雙芯片隱形傳態(tài)實驗。在進行量子測量后，粒子的量子態(tài)在兩個芯片間傳輸。這種測量利用了量子物理的奇異的行為，它會同時破壞糾纏，將粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)移到接收芯片上的另一個粒子那里。

論文合著者伊馬德·法魯克（Imad Faruque）博士補充道：“基于我們先前對芯片上高質(zhì)量單光子源的研究結(jié)果，我們已經(jīng)建立了一個包含四個源的更復(fù)雜的電路。所有這些光源都經(jīng)過測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們發(fā)射的光子幾乎相同，這是我們進行的糾纏交換等一系列實驗的基本標準。”

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在研究中，多光子多量子比特態(tài)的產(chǎn)生、處理、收發(fā)和測量都是在微米級硅芯片上實現(xiàn)的，芯片由互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝制造。結(jié)果表明，這種量子隱形傳態(tài)的保真度極高，達到了91%。此外，研究人員還展示了其他一些重要功能，如糾纏交換和四光子 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）態(tài)，它們對量子中繼器、量子計算機和量子互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域十分重要。

論文的通訊作者王劍威博士目前在北京大學(xué)工作，他認為，量子光子器件和經(jīng)典電子控制的單硅芯片集成在不遠的未來將打開一扇大門，讓兼容 CMOS 技術(shù)的完全利用芯片的量子通信和信息處理網(wǎng)絡(luò)成為可能。這項研究為用于量子通信和計算的大規(guī)模集成量子光子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。