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通过“声子”实现原子之间的相互耦合,传递量子信息

2018-06-07

导读


近日,奥地利维也纳技术大学和美国哈佛大学的科研人员组成的团队发现了一条传递必要的量子信息的新方法。他们提议采用微小的机械振动,通过“声子”实现原子之间的相互耦合,声子是振动或者声波的最小量子力学单位。


背景


量子,是现代物理的重要概念,由德国物理学家普朗克最早在1900年提出。量子具有很多神奇的特性,例如叠加和纠缠。量子物理催生了一系列的技术应用,例如:量子传感器、量子通信、量子计算机等等。量子技术是现今世界上最具颠覆性的前沿技术之一,已成为世界各国进行高新技术竞争的重要领域。


温故而知新,让我们先来回顾一下之前介绍过的有关量子技术应用的经典案例:


1)量子传感器方面:德国弗劳恩霍夫应用固体物理与马克斯普朗克固体研究所的科研人员合作开发出只比氮原子稍大一点的新型量子传感器,它采用人造钻石作为基底,不久将可用于测量下一代硬盘的微弱磁场。


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(图片来源:Fraunhofer IAF)


2)量子通信方面:加拿大渥太华大学的科研人员通过自由空间光网络,在两座相距0.3千米的建筑之间,演示了四维量子加密。这次成功的实验表明,未来使用高容量、自由空间的量子通信,创建地基网络和卫星之间的安全通信链接将成为现实。


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(图片来源:SQO团队,渥太华大学)


3)量子计算机方面:澳大利亚新南威尔士大学(UNSW )探索出了基于硅自旋量子位的新方案。研究人员重新构思了常用的“硅”微处理器,全新地设计出硅量子计算机芯片,该芯片可通过最标准的工艺和元件进行制造。


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(图片来源:Tony Melov/UNSW)


然而,目前量子技术发展的主要障碍之一,就是找到正确的方法来联系并精准控制足够数量的量子系统(例如单独的原子)。


创新


近日,奥地利维也纳技术大学和美国哈佛大学的科研人员组成的团队发现了一条传递必要的量子信息的新方法。他们提议采用微小的机械振动,通过“声子”实现原子之间的相互耦合,声子是振动或者声波的最小量子力学单位。


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(图片来源:维也纳技术大学)


技术


维也纳技术大学教授 Peter Rabl 表示:“我们正在测试内置硅原子的微小钻石,这些量子系统非常有前景。一般来说,钻石是完全由碳原子组成,但是在特定位置添加硅原子,可以创造出晶格中的缺陷,而量子信息可以存储在那里。”晶格中的这些微小缺陷可以作为一个微型开关,而采用微波可以在较高能量状态与较低的能量状态之间切换这个开关。


Peter Rabl 的研究小组与哈佛大学的团队一起开发出一种新创意,实现这些钻石中的量子存储器之间的靶向耦合。如同项链上一颗一颗的珍珠,它们可以一个接一个地嵌入长度仅有几微米的钻石棒中。这种棒就像音叉一样,可以用于制造振动。然而,这些振动非常微小,以致它们只能用量子理论来描述。通过这些振动,硅原子能够形成相互之间的量子力学联系。


Peter Rabl 解释道:“光线由光子(光量子)组成。同样地,机械振动或者声波也可以用量子力学的方式描述。它们由声子组成,声子是机械振动的最小单位。”现在,研究团队已经能够通过模拟计算展示,通过这些声子,大量的量子存储器在钻石棒中可以被联系到一起。单个硅原子可以通过微波来“打开或关闭”。在这一过程中,它们激发或者吸收声子。这样创造出不同的硅缺陷之间的量子纠缠,从而可以传递量子信息。


价值


迄今为止,尚不清楚这样的方案是否可行。Peter Rabl 表示:“你通常可能会认为声子会在某处被吸收或者与环境发生接触,从而失去它们的量子力学特性。可以说,声子是量子信息的敌人。但是我们通过计算展示,当采用微波适当控制声子时,实际上声子可用于技术应用。”


这项新技术的主要优点就是可扩展性。Peter Rabl 表示:“有关量子系统的许多想法原则上都可以用于技术应用。最大的问题就是难以将足够数量的量子系统联系起来,展开复杂的运算操作。” 采用声子实现这一目标的新方案,将为可扩展的量子技术提供一种新方案。


参考资料

【1】https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125864/

【2】M.-A. Lemonde, S. Meesala, A. Sipahigil, M. J. A. Schuetz, M. D. Lukin, M. Loncar, P. Rabl. Phonon Networks with Silicon-Vacancy Centers in Diamond Waveguides. Physical Review Letters, 2018; 120 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.213603


(来源:IntelligentThings)

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