這項(xiàng)基于新物理學(xué)的新技術(shù)提供了對(duì)量子信息強(qiáng)大、可擴(kuò)展的控制，為更可靠的量子計(jì)算鋪平了道路。
南加州大學(xué)維特比分校謝明電氣與計(jì)算機(jī)工程系和高級(jí)計(jì)算學(xué)院的研究人員取得了一項(xiàng)重大突破，該突破可能會(huì)加速量子技術(shù)的進(jìn)步，他們開發(fā)出了第一個(gè)能夠隔離和保存量子糾纏的光學(xué)濾波器，量子糾纏是量子計(jì)算、通信和傳感的關(guān)鍵現(xiàn)象。這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究為緊湊、高性能糾纏系統(tǒng)鋪平了道路，該系統(tǒng)可以集成到量子光子電路中，從而提高量子計(jì)算架構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
量子糾纏的解釋
量子糾纏是兩個(gè)或多個(gè)粒子連接在一起的過程，其中一個(gè)粒子的行為會(huì)立即影響另一個(gè)粒子的行為——即使它們相距甚遠(yuǎn)。正是這種看不見的線索讓量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，量子網(wǎng)絡(luò)能夠安全地傳輸信息，傳感器能夠達(dá)到遠(yuǎn)超傳統(tǒng)系統(tǒng)的靈敏度水平。糾纏是量子物理學(xué)的核心——一種將粒子結(jié)合在一起的神秘束縛，創(chuàng)造出一種違背傳統(tǒng)直覺的不可思議的聯(lián)系。糾纏曾被認(rèn)為是一種“幽靈般的遠(yuǎn)距離行為”，但現(xiàn)在被認(rèn)為是一種重要資源——為量子技術(shù)提供動(dòng)力。
但糾纏十分脆弱。即使是極小的噪音或錯(cuò)誤也會(huì)破壞這些脆弱的量子聯(lián)系，使得在現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)中控制糾纏變得十分困難。
為了克服這個(gè)問題，南加州大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新型光學(xué)濾波器——一種激光書寫玻璃光通道的排列，稱為波導(dǎo)，它就像雕刻家一樣，鑿去所有不必要的東西，露出下面純凈的糾纏態(tài)。無(wú)論入射光的質(zhì)量如何或混雜程度如何，該設(shè)備都會(huì)去除不需要的成分，只留下必要的量子關(guān)聯(lián)。
這個(gè)過濾器不僅能保留糾纏，還能從嘈雜的混合量子態(tài)中提煉出糾纏，它保留了量子核心的完整性，同時(shí)舍棄了其他一切?！?/p>
反宇稱時(shí)間對(duì)稱性及其作用
這項(xiàng)研究的核心突破來(lái)自理論物理學(xué)中一個(gè)令人驚訝的想法，即反宇稱時(shí)間 (APT) 對(duì)稱性，這一概念最近才開始引起光學(xué)界的關(guān)注。大多數(shù)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是為了避免損耗和保持對(duì)稱性，這意味著光以可預(yù)測(cè)的、平衡的方式流動(dòng)。但 APT 對(duì)稱系統(tǒng)采用了一種非常不同的方法：它們接受損耗，但不是隨機(jī)的，而是以精確和精心控制的方式。通過將這種工程耗散與干涉能力相結(jié)合，這些系統(tǒng)提供了一種獨(dú)特且違反直覺的方式來(lái)控制光的行為。這種非常規(guī)控制為以以前被認(rèn)為不可能的方式操縱光開辟了令人興奮的可能性。
通過將這種對(duì)稱性嵌入到專門設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種可以自然過濾噪音并引導(dǎo)系統(tǒng)走向穩(wěn)定糾纏態(tài)的結(jié)構(gòu)，就像球滾進(jìn)山谷的最低點(diǎn)一樣。
資深作者、南加州大學(xué)電氣工程與物理學(xué)教授 Mercedeh Khajavikhan 稱這項(xiàng)研究表明，非厄米物理學(xué)和開放量子系統(tǒng)（曾被認(rèn)為是數(shù)學(xué)上的奇觀）可以在量子領(lǐng)域提供強(qiáng)大的工具。他們的濾波器可擴(kuò)展、芯片兼容，并且不需要特殊材料或有源元件。
使用南加州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室生成的單光子和糾纏光子對(duì)對(duì)濾波器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過 APT 對(duì)稱糾纏濾波器后，使用量子斷層掃描技術(shù)重建輸出狀態(tài)，證實(shí)濾波器能夠以高于 99% 的保真度恢復(fù)所需的糾纏狀態(tài)。
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