科学家首次开发了包含两个纠缠量子光源的芯片

光子盒研究院出品

近日，哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所与波鸿鲁尔大学（Ruhr University Bochum）合作，解决了一个多年来令量子研究人员头痛的问题[1]。

研究人员现在可以控制两个量子光源而不是一个。虽然看起来微不足道，但这一巨大的突破使研究人员能够创造“量子力学纠缠”现象，这又将为公司和其他公司在商业上利用量子技术打开了新的大门。

由两个纠缠的量子光源组成的芯片

从1到2：“量子化”已有设备的第一步

在大多数情况下，从1到2是一个小成就；但在量子物理学的世界里，这样做是至关重要的。多年来，世界各地的研究人员一直在努力开发稳定的量子光源，并实现量子力学纠缠现象：这种现象具有近乎科幻的特性，两个光源可以立即相互影响，并可能跨越很大的地理距离。不仅如此，纠缠是量子网络的基础，也是开发高效量子计算机的核心。

此次，尼尔斯玻尔研究所团队在《科学》杂志上发表的最新成果显示[2]，他们在成功地做到了这一点。据该成果的研究人员之一Peter Lodahl教授称，这是努力将量子技术发展到下一阶段并将计算机、加密和互联网“量子化”的关键一步。

“我们现在可以控制两个量子光源并将它们相互连接。这听起来可能不多，但这是一个重大的进步，建立在过去20年的工作基础上的。通过这样做，我们揭示了扩大技术规模的关键，这对最具突破性的量子硬件应用至关重要。”

光子晶体波导中两个量子点间的光子介导耦合的图示，其中一个量子点被光学泵送。随后，耦合的量子点系统的发射动力学表现出超辐射和亚辐射，这源于发射到光子晶体波导的场的建设性（亮线）或破坏性（暗线）干扰和每个量子点的散射。

光量子技术，性能强于超级计算机

Peter Lodahl的小组正在研究一种量子技术，该技术使用被称为光子的光粒子作为微观运输工具来移动量子信息。

项目团队，从左到右：Peter Lodahl, Anders Sørensen, Vasiliki Angelopoulou, Ying Wang, Alexey Tiranov, Cornelis van Diepen

虽然Lodahl的小组是这一量子物理学科的领导者，但直到现在他们也只能一次控制一个光源。这是因为光源对外界的“噪音”异常敏感，使得它们非常难以复制。在他们的新成果中，该研究小组成功地创造了两个相同的量子光源，而不是只有一个。

“纠缠意味着，通过控制一个光源，会立即影响到另一个。这使得创建一个由纠缠的量子光源组成的整个网络成为可能，所有这些光源都相互作用，你可以让它们以与普通计算机中的比特相同的方式进行量子比特操作，只是要强大得多。”文章的主要作者、博士后Alexey Tiranov解释说。

这是因为一个量子比特可以同时是1和0，这导致处理能力是使用今天的计算机技术无法达到的。据Lodahl教授说，从一个量子光源发出的仅仅100个光子将包含比世界上最大的超级计算机所能处理的更多信息。

通过使用20-30个纠缠的量子光源，有可能建立一个容错量子计算机——这是量子技术的终极“圣杯”；如今，大型IT公司正投入数十亿美元以实现这一目标。

应用端部署量子物理：计算机、互联网、加密技术

据Lodahl说，最大的挑战是要从控制一个量子光源到两个量子光源。其中，这使得研究人员必须开发极其安静的纳米芯片，并对每个光源进行精确控制。

随着新研究的突破，基本的量子物理研究已经到位。现在，是时候让其他行为者接受研究人员的工作，并将其用于寻求在一系列技术中部署量子物理，包括计算机、互联网和加密。

“对于一所大学来说，建立一个我们控制15-20个量子光源的装置是太昂贵了。因此，现在我们已经为理解基本的量子物理学做出了贡献，并在这条路上迈出了第一步，进一步扩大规模在很大程度上将是一项新的技术任务。”Lodahl教授说。

参考链接：

[1]https://nbi.ku.dk/english/news/news23/danish-quantum-physicists-make-nanoscopic-advance-of-colossal-significance/

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9324

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