澳科学家首次实现光子量子纠缠态的保护学术资讯

该研究论文的第一作者安德娅·布兰科雷东多（Andrea Blanco-Redondo）博士在悉尼大学悉尼纳米研究所的光子实验室里。

据《科学》杂志11月2日刊发的一篇研究论文称，澳大利亚科学家与以色列同行密切合作，首次利用拓扑学中的物理概念，证明了对成对光子（光能量包）之间相关态势实施保护的可能性。这一实验性的突破为构建新型量子比特开辟了一条新的道路，而量子比特是制造量子计算机的基石。

该研究论文的第一作者安德娅·布兰科雷东多（AndreaBlanco-Redondo）博士介绍道：“我们现在提出了一种利用受保护的光子对，为逻辑门建立强纠缠态的方法。”逻辑门是一种运行针对量子计算机而编写的算法所需的开关，传统的运算开关是以简单二进制的0或1的形式存在，而量子开关是以结合了0和1两种状态的‘叠加态’的形式而存在的。

进行这一研究的出发点是，如果能对量子信息进行足够长时间的保护，那么量子计算机就能够用其进行有用的运算，然而，要实现这一功能却是现代物理学研究面临的最大挑战之一。具有实用价值的量子计算机需要数以百万计或数十亿计的量子位元来处理信息，而到目前为止，最好的实验设备仅有大约20个量子位。为了充分释放量子技术的潜力，科学家们需要找到一种在纳米层面上保护量子比特纠缠叠加态的方法。尽管之前的研究尝试利用超导体和被捕获的离子来实现这一目标，并且取得了初步成果，但是它们非常容易受到电磁作用的干扰，因此很难将它们扩展升级为在实际中有用的量子计算机。

针对这种情况，科学家们提出了另外一种手段来建立能进行量子算法运算的逻辑门，其利用的是光子（光能量包），而不是电子。与电子不同的是，光子与热环境和电磁环境是完全隔离的。然而，直到取得该研究成果之前，基于光子量子位元的定标量子器件由于散射损耗和其他误差，其应用潜力还受诸多限制。

布兰科雷东多（Andrea Blanco-Redondo）博士解释道：“我们成功开发出的是一种新型的硅纳米线晶格结构，其具有的特殊对称性为光子的相互关联提供了非同一般的鲁棒性。这种有助于营造和引导被称为“边缘模式”（edge modes）相关态势的对称性来源于底层拓扑结构——这是晶格所具有的一种全局属性，能在无序状态中保持不变。”而生成的这种关联性是创建量子门的纠缠态所必需的。这项研究取得了近十年来在物质拓扑态研究领域内的最新成果，这些拓扑特性能够在电磁、凝聚态、声学和冷原子等不同领域为经典信息和量子信息传递提供了保护。

悉尼大学纳米研究所（University of Sydney, NanoInstitute）的理论量子物理学家斯蒂芬·巴勒特（Stephen Bartlett）教授没有参与这项研究，但是他对此给予了高度的评价：“布兰科雷东多博士的研究成果在基础层面上是令人兴奋的，因为它证明了附着在拓扑有序材料边界上受保护模式存在的可能性。虽然这一研究还处于早期阶段，对量子计算领域意味着什么还尚且不清楚，但是我们希望这些边缘模式所提供的保护可以被用来保护光子免受量子应用中噪声问题的影响。

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编译：Jonathan 审稿：alone 责编：张梦

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181101142910.htm