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量子纠缠的实验进展

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量子纠缠的实验进展

雪花又一年 2018-05-04 13:40:00 浏览68 评论0

摘要: 纠缠态作为一种物理资源,在量子信息的各方面,如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用。然而,受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响,制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态:另一方面,纯纠缠态受环境的消相干作用也会退化成为混合态。

纠缠态作为一种物理资源,在量子信息的各方面,如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用。然而,受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响,制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态:另一方面,纯纠缠态受环境的消相干作用也会退化成为混合态。使用这种混合纠缠态进行量子通信和量子计算将会导致信息失真。为达到更好的量子通信或量子计算效果,需要通过纠缠纯化技术将混合纠缠态纯化成纯纠缠态或者接近纯纠缠态。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子信息研究中的重要课题。常见量子纠缠态应用,例如:量子通讯应用于量子态隐形传输;量子计算应用于量子计算机,量子计算在实现技术上有严重的挑战,实现这一问题要解决另外三个问题——量子算法、量子编码、实现量子计算的物理体系,量子保密通讯也广泛应用于量子密码术中。


纠缠态制备

多光子纠缠态的制备和操控一直是量子信息领域的研究重点。世界上普遍利用晶体中的非线性过程来产生多光子纠缠态,其难度会随着光子数目的增加而指数增大。


2000年,美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态。


2004年,合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员打破了这一纪录,在国际上首次成功实现五光子纠缠的操纵。


2005年底,美国国家标准局和奥地利因斯布鲁克小组分别宣布实现了六个和八个离子的纠缠态,并且一直保持着这个纪录。


中科院量子信息重点实验室李传锋、黄运锋研究组在郭光灿院士的领导下,成功制备出八光子纠缠态——GHZ态,并进一步利用产生出的纠缠态完成了八端口量子通信复杂性实验。实验结果超越了以往界限,展示了量子通信抗干扰能力强、传播速度快的优越性。研究工作于2011年11月22日在线发表在《自然·通讯》上。


量子态隐形传输


1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。


2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员的小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。该成果已经发表在2010年6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》上,并引起了国际学术界的广泛关注。


2015年2月26日,《自然》杂志发表封面文章,介绍了中国科技大学潘建伟项目组的“多自由度量子体系的隐形传态”研究。通俗地说,这一技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态,从而开启了瞬间传输技术的大门。欧洲物理学会新闻网站“物理世界”11日公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破,该工作入选并名列榜首。


2015年10月25日英国《自然》杂志刊发了一篇论文,在这篇最新论文中,荷兰代尔夫特理工大学的科学家们把两颗钻石分别放在代尔夫特理工大学校园内的两侧,距离1.3公里。每块儿钻石含有一个可以俘获单个电子的微小空间,此空间具有一种称为“自旋”的磁性,然后用微波和激光能的脉冲来纠缠,并测量电子的“自旋”。校园的两侧设有探测器,两个电子之间的距离确保做测量的同时,信息无法以传统的方式交换。


这项研究的第一作者伦纳德·汉森(Ronald Hanson)教授表示:“当两个电子之间形成纠缠时,事情就会变得非常有意思。它们的状态应当是同时处于朝上或朝下的叠加态,但在被观测时,则总是表现为一个朝上,另一个朝下的状态。这两者之间建立了某种完美的关联性,当你观测其中一个粒子,那么此时另外一个粒子就会自动变成与其相反的状态。这样的关联变化是瞬间发生的,即便另外一个粒子远在星系的另一端也是一样。”而其他粒子性质上也同样具有类似的纠缠关联性。


美国科学家利用小磁铁,在室温下让半导体内的粒子实现了量子纠缠,最新研究有助于更高性能量子设备的研制。首先,他们使用红外激光,让成千上万个电子和原子核的磁性状态变得有序,随后利用电磁脉冲让其纠缠,这一过程使40立方微米体积内的半导体碳化硅内的电子和原子核对发生了纠缠。研究发表在2015年11月20日出版的《Science advances》杂志上。

分子工程学教授奥沙隆表示,能在室温条件下,在半导体内制造出稳定的纠缠状态,除了能促进基础物理学的发展之外,对未来量子设备的研制也有重大的意义。从短期来看,科学家们可借此研制出超灵敏的量子传感器,鉴于纠缠能在室温下进行且碳化硅很环保,此类设备可植入生物体内,在生物医学领域发挥重大作用。从长期来看,科学家们甚至能让距离遥远的碳化硅芯片内的粒子发生纠缠,让其在同步地球定位卫星以及加密的信息通讯领域“大显身手”。



最近,新南威尔士大学的研究小组在最新一期《自然-纳米技术》杂志上报告说,他们使用放置在硅芯片中的一个电子和一个磷原子的原子核,实现了量子纠缠,实验取得了2.70的观测值,可信度超过96%。

研究人员说,以这样高的“分数”通过贝尔实验,是人们能对量子计算机操作实现完全控制的最有力证明,特别是用量子纠缠实现纯粹量子类型的计算机代码。


原文发布时间为:2016-03-17
本文作者:尤文龙
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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