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学生使用光子设计两个量子比特之间的相互作用

发布时间:2018-12-06 23:02:02

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在量子计算领域,互动就是一切。

对于计算机完全工作,位 - 构成数字信息的1和0  - 必须能够交互并切换数据以进行处理。构成量子计算机的量子比特或量子比特也是如此。

但是这种交互产生了一个问题 - 在任何量子比特相互作用的系统中,它们也倾向于想要与它们的环境相互作用,导致量子比特很快失去它们的量子特性。

为了解决这个问题,文理学研究生院博士。学生Ruffin Evans转向粒子,因为他们缺乏相互作用 - 光子。

在Mikhail Lukin,物理学的George Vasmer Leverett教授和量子科学与工程计划联合主任的实验室工作,Evans是科学杂志中描述的一项研究的主要作者,该研究演示了一种设计方法使用光子的两个量子比特。

“设计一个具有强烈相互作用的系统并不难,但强烈的相互作用也会通过与环境的相互作用引起噪音和干扰,”埃文斯说。 “所以你必须让环境变得非常干净。这是一个巨大的挑战。我们在一个完全不同的政权中运作。我们使用光子,它与所有东西都有微弱的相互作用。”

Evans及其同事开始使用硅空位中心 - 钻石中的原子级杂质 - 创建两个量子比特,并将它们放入称为光子晶体腔的纳米级器件中,其表现类似于两个面对的镜子。

“光在一次通过中与原子相互作用的可能性非常非常小,但一旦光线反弹大约10,000次,几乎肯定会发生,”他说。 “因此,其中一个原子可以发射光子,它会在这些反射镜之间反弹,在某些时候,另一个原子会吸收光子。”

但是,光子的传输不仅仅是一种方式。

“光子实际上是在两个量子比特之间交换了几次,”埃文斯说。 “就像他们正在玩烫手山芋;量子比特来回传递它。”

虽然创建量子比特之间相互作用的概念并不是新的 - 研究人员已经在许多其他系统中实现了这一壮举 - 但有两个因素使新研究成为独特的,埃文斯说。

“关键的进展是我们在光学频率下运行光子,这通常是非常微弱的相互作用,”他说。 “这正是我们使用光纤传输数据的原因 - 您可以通过基本没有衰减的长光纤发送光线。因此,我们的平台对于长距离量子计算或量子网络尤其令人兴奋。”

尽管该系统仅在超低温下运行,但埃文斯表示,它不像需要精心设计的激光冷却系统和光阱来固定原子的方法那么复杂。他补充说,由于该系统是纳米级的,因此可以将许多设备安装在单个芯片上。

“尽管之前已经实现了这种相互作用,但在光学领域的固态系统中还没有实现,”他说。 “我们的设备采用半导体制造技术制造。很容易想象使用这些工具在单个芯片上扩展到更多设备。”

埃文斯设想了未来研究的两个主要方向。第一个是开发方法来控制量子比特并构建一整套量子门,使它们能够作为可行的量子计算机。

“另一个方向是说我们已经可以构建这些设备,获取信息,将其读出设备并将其放入光纤中,所以让我们考虑一下如何扩展它并实际构建一个真正的量子网络而不是人类距离很远,“他说。 “我们正在设想使用我们已有的成分,或使用下一代设备实现小规模量子网络,在整个实验室或整个校园之间建立设备之间的链接。”

最终,埃文斯说,这项工作可能会对计算的未来产生广泛的影响。

“从量子互联网到量子数据中心的所有东西都需要量子系统之间的光学链接,这就是我们的工作非常适合的难题,”他说。

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