Qutrit量子實(shí)驗(yàn)獲得成功，量子通信發(fā)展邁出重要一步

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科學(xué)家第一次成功傳輸qutrit量子信號(hào)，該信號(hào)為一個(gè)三方的量子信息單元，這一研究成果先后由中國(guó)和奧地利的科學(xué)家完成。首先是中國(guó)的物理學(xué)家郭光燦和中國(guó)科技大學(xué)（USTC）的同事們?cè)?月28日發(fā)表了他們的結(jié)果，接著是奧地利科學(xué)院的Anton Zeilinger和中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，他們?cè)?月24日公布了其研究結(jié)果。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的獨(dú)立研究結(jié)果是量子隱形傳態(tài)領(lǐng)域的重要進(jìn)步。量子隱形傳態(tài)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)僅限于量子信息的量子比特單位，類(lèi)似于經(jīng)典計(jì)算中使用的二進(jìn)制“比特”。這些概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明：在未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò)中可以使用攜帶更多信息并且具有比量子比特更大的抗噪聲性能的qutrits。

量子遠(yuǎn)距離傳送這個(gè)名字讓人聯(lián)想到“星際迷航”中的一項(xiàng)技術(shù)，其中“運(yùn)輸者”可以“射出”宏觀物體在遙遠(yuǎn)的太空點(diǎn)之間。而在量子隱形傳態(tài)中，被傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)糾纏粒子的狀態(tài)例如電子的自旋。即使相隔很遠(yuǎn)，糾纏的粒子也有著神秘的聯(lián)系，在兩個(gè)糾纏電子的情況下，無(wú)論一個(gè)電子的自旋發(fā)生什么，都會(huì)瞬間影響另一個(gè)電子的自旋。

量子隱形傳態(tài)在未來(lái)可能對(duì)安全通信具有重要作用，并且大部分研究都是考慮到網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用。在2017年，潘建偉、Zeilinger和他們的同事利用中國(guó)的墨子號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行了世界上最長(zhǎng)的通信實(shí)驗(yàn)，跨越了7600公里，兩個(gè)光子被傳送到維也納和中國(guó)。

通過(guò)獲取有關(guān)光子狀態(tài)的信息，每個(gè)位置的研究人員都能夠有效地構(gòu)建一個(gè)不可識(shí)別的密碼，用于進(jìn)行安全的視頻通話(huà)。這種技術(shù)就像一封信上的蠟封：任何竊聽(tīng)都會(huì)干擾并留下可檢測(cè)的標(biāo)記。

研究人員試圖傳送更復(fù)雜的粒子狀態(tài)并取得一些成功。在2015年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，潘建偉和他的同事設(shè)法傳送了兩個(gè)光子態(tài)：旋轉(zhuǎn)和軌道角動(dòng)量。盡管如此，這些狀態(tài)中的每一個(gè)都是二進(jìn)制的，系統(tǒng)仍在使用量子比特。直到現(xiàn)在，科學(xué)家還沒(méi)有傳送任何更復(fù)雜的狀態(tài)。

經(jīng)典二進(jìn)制位可以是0或1，其量子對(duì)應(yīng)物為量子位，通常被稱(chēng)為0和1兩種狀態(tài)的疊加。例如，考慮一個(gè)光子，它可以表現(xiàn)出水平或垂直偏振。這樣的量子比特很容易讓研究人員構(gòu)建。經(jīng)典三分法可以是0、1或2，意味著qutrit必須體現(xiàn)所有三種狀態(tài)的疊加。這使得qutrits比qubits更難制作。

為了創(chuàng)造他們的四分法，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都使用了光子的三分支路徑，用精心編排的激光、分束器和硼酸鋇晶體的光學(xué)系統(tǒng)表達(dá)。考慮到這種神秘安排的一種方法是著名的雙縫實(shí)驗(yàn)，在那個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，光子同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫，形成一個(gè)波狀干涉圖案。每個(gè)狹縫的狀態(tài)為0和1，因?yàn)楣庾哟┻^(guò)兩者，為光子添加第三個(gè)狹縫以進(jìn)行遍歷，結(jié)果是一個(gè)qutrit-量子系統(tǒng)，由三個(gè)狀態(tài)的疊加定義，其中光子的路徑有效地編碼信息。

從光子中創(chuàng)造一個(gè)qutrit只是另一個(gè)研究階段的開(kāi)始。兩支團(tuán)隊(duì)也不得不將兩個(gè)qutrits糾纏在一起，而這絕非易事，因?yàn)楣夂苌倥c自身相互作用。但是，一些研究人員不太相信這一研究結(jié)果。東京大學(xué)的物理學(xué)家Akira Furusawa說(shuō)，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)使用的方法不適合實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樗苈倚实拖隆?/p>

研究人員承認(rèn)這一缺陷，科學(xué)是一步一步地走過(guò)來(lái)的，首先，你讓不可能的事情成為可能，然后你才能努力讓它更完美。
（責(zé)任編輯：fqj）