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如何在10萬個原子核中“大海撈針”?

作者:由 zhoupeng198315 發表于 俗語日期:2021-05-07

大海里怎麼才能撈針

如何在10萬個原子核中“大海撈針”?

研究人員已經找到了一種方法,利用光和單個電子與一團量子位元進行通訊,並感知它們的行為,從而有可能探測到稠密雲中的單個量子位元。

來自劍橋大學的研究人員能夠在10萬個原子核組成的“大海撈針”中注入高度脆弱的量子資訊。

利用鐳射來控制電子,研究人員可以利用電子來控制“大海”的行為,從而更容易找到“針”。

他們能夠以百萬分之1。9的精度探測到“針”,這個精度足以探測到這個大集合中的一個量子位元。

該技術可以將高度脆弱的量子資訊以光學的方式傳送到核系統中進行儲存,並以最小的干擾驗證其印記,這是基於量子光源的量子網際網路發展的重要一步。

研究結果發表在《自然物理》雜誌上。

第一批次子計算機即將問世,它將利用亞原子粒子的奇怪行為,遠超最強大的超級計算機。

然而,要充分利用它們的潛力,就需要一種將它們連線起來的方法:量子網際網路。

傳輸量子資訊的光通道有望成為量子網際網路的候選光源,目前沒有比半導體量子點更好的量子光源:本質上是人造原子的微小晶體。

然而,有一件事阻礙了量子點和量子網際網路的發展:在網路中臨時儲存量子資訊的能力。

領導這項研究的劍橋卡文迪什實驗室的Mete Atatüre教授說:“解決這個問題的方法是將脆弱的量子資訊隱藏在每個量子點所包含的10萬個原子核組成的雲中,就像大草堆中的一根針一樣。”

“但如果我們試影象與位元通訊一樣與這些核通訊,它們往往會隨機‘翻轉’,創造一個嘈雜的系統。”

量子點中包含的量子位元雲通常不會以集體狀態執行,這使得從量子點中獲取資訊成為一個挑戰。

然而,Atatüre和他的同事在2019年證明,當用光將這些原子核冷卻到超低溫度時,可以讓它們一起“量子舞蹈”,顯著減少系統中的噪音。

現在,他們又邁出了在核中儲存和檢索量子資訊的另一個基本步驟。

透過控制10萬個原子核的集體狀態,他們能夠以百萬分之1。9的超高精度探測到作為“翻轉量子位元”的量子資訊是否存在:足夠觀測到原子核雲中一個位元的翻轉。

“從技術上講,這是非常苛刻的,”Atatüre說,他也是聖約翰學院的研究員。

“我們沒有辦法與雲‘對話’,雲也沒有辦法與我們對話。但我們可以與電子對話:我們可以像牧羊犬牧羊一樣與它交流。”

利用來自鐳射的光,研究人員能夠與電子通訊,然後電子與原子核的自旋(固有角動量)通訊。

透過與電子對話,混沌的自旋集合開始冷卻並聚集在引導的電子周圍;在這種更有序的狀態下,電子可以在原子核中產生自旋波。

Atatüre說:“如果我們把我們的旋轉雲想象成一群10萬隻綿羊隨機移動,很難看到一隻綿羊突然改變方向。”

“但如果整群羊都像明確的波浪一樣移動,那麼一隻羊改變方向就會變得非常明顯。”

換句話說,將由單個核自旋翻轉產生的自旋波注入到整體中,可以更容易地在100,000個核自旋中檢測單個核自旋翻轉。

利用這種技術,研究人員能夠向量子位元傳送資訊,並以最小的干擾“監聽”自旋在說什麼,直到量子力學設定的基本極限。

卡文迪什實驗室的博士生、共同第一作者Daniel Jackson說:“利用這種控制和感測能力,我們下一步將演示如何儲存和檢索核自旋暫存器中的任意量子位元。”

聖約翰學院的研究員、共同第一作者Dorian Gangloff說:“這一步將完成連線光的量子儲存器,這是實現量子網際網路道路上的主要基石。”

這項技術除了可能用於未來的量子網際網路之外,還可能用於固態量子計算的發展。

這項研究得到了歐洲研究委員會(ERC)、工程和物理科學研究委員會(EPSRC)和英國皇家學會的部分支援。