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量子在边缘 光照在量子技术的新途径上

澳大利亚科学家首次使用拓扑结构的有趣物理概念证明了成对光子之间相关状态的保护 - 光能包。这一实验性突破开辟了建立新型量子比特的途径,量子比特是量子计算机的构建模块。

这项与以色列同事密切合作开展的研究今天发表在“科学”杂志上,该杂志承认这项工作的基础重要性。

“我们现在可以提出一条通过使用受保护的光子对构建逻辑门强大纠缠态的途径,”主要作者,悉尼大学纳米研究所的Andrea Blanco-Redondo博士说。

逻辑门是操作为量子计算机编写的算法所需的开关。经典计算开关是零或一的简单二进制形式。量子开关以“叠加”状态存在,它将0和1组合在一起。

保护量子信息足够长以使量子机器能够执行有用的计算是现代物理学中最大的挑战之一。有用的量子计算机将需要数百或数十亿的量子比特来处理信息。到目前为止,最好的实验设备有大约20个量子比特。为了释放量子技术的潜力,科学家们需要找到一种方法来保护纳米尺度上量子比特(或量子比特)的纠缠叠加。使用超导体和捕获离子实现这一目标的尝试已经显示出前景,但它们极易受到电磁干扰,使得它们难以扩展到有用的机器中。使用光子 - 光能包 - 而不是电子一直是提出的替代方案,可以构建可以计算量子算法的逻辑门。

与电子不同,光子与热和电磁环境隔离良好。然而,由于散射损失和其他误差,基于光子量子位的缩放量子器件受到限制;到现在。“我们所做的是开发一种新的硅纳米线晶格结构,创造一种特殊的对称性,为光子的相关性提供不寻常的稳健性。对称性有助于创造和引导这些相关状态,称为”边缘模式“,”博士说。 Blanco-Redondo,物理学院Messel研究员。“这种稳健性源于潜在的拓扑结构,晶格的整体特性对于无序而言保持不变。”

需要产生的相关性来构建量子门的纠缠态。使用仅500纳米宽的硅纳米线制成的通道或波导成对排列,中间有一个故意的对称缺陷,产生两个具有不同拓扑结构和中间“边缘”的晶格结构。这种拓扑结构允许创建光子可以配对的特殊模式 - 称为“边缘模式”。这些模式允许成对光子携带的信息以稳健的方式传输,否则这些信息将在均匀晶格上散射和丢失。

Blanco-Redondo博士在悉尼纳米科学中心与Bryn Bell博士一起设计并进行了实验,此前他曾在悉尼大学和现在的牛津大学工作。光子是由高强度,超短激光脉冲产生的,同样的基础技术Donna Strickland和Gerard Mourou被授予2018年诺贝尔物理学奖。这项研究是过去十年中关于物质拓扑状态的发现蓬勃发展的最新研究。这些拓扑特征为电磁学,凝聚态物质,声学和冷原子等各种领域的经典和量子信息提供保护。

微软量子实验室,包括悉尼的微量实验室,正在寻求开发基于电子的量子比特,其中量子信息通过称为马约拉纳费米子的准粒子的结构得到拓扑保护。这有点像编织通过超导体和半导体金属的相互作用诱导的半电子态。先前已经证明了拓扑保护状态的单光子。然而,Blanco-Redondo博士说:“量子信息系统将依赖多光子状态,强调这一发现对于进一步发展的重要性。”

她表示,下一步将是改善对光子纠缠的保护,以创建稳健,可扩展的量子逻辑门。悉尼纳米的理论量子物理学家斯蒂芬巴特利特教授表示:“布兰科 - 雷东多博士的研究结果令人兴奋,因为它显示了拓扑有序材料边界附带的保护模式的存在。“量子计算的意义尚不清楚,因为它仍处于早期阶段。但希望这些边缘模式提供的保护可用于保护光子免受量子应用中存在问题的噪声类型的影响。”

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