能源部橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室(Oak Ridge National Laboratory)的一個(gè)團隊進(jìn)行了一系列實(shí)驗，以更好地了解量子力學(xué)，并尋求量子網(wǎng)絡(luò )和量子計算方面的進(jìn)步，這可能會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )安全和其他領(lǐng)域的實(shí)際應用。
ORNL量子研究人員Joseph Lukens，Pavel Lougovski，Brian Williams和Nicholas Peters，以及來(lái)自哥倫比亞普渡大學(xué)和佩雷拉技術(shù)大學(xué)的合作者 ，在光學(xué)學(xué)會(huì )的《光學(xué)與光學(xué)》特刊中總結了他們最近幾篇學(xué)術(shù)論文的結果。光子學(xué)新聞》(Photonics News)展示了2019年與光學(xué)相關(guān)的研究中最重要的一些結果。他們的參賽作品是從91個(gè)庫中選擇出版的30種之一。
常規計算機的“位”值為0或1，但稱(chēng)為“量子位”的量子位可以存在于標記為0和1的量子狀態(tài)的疊加中。這種能力使量子系統有望用于傳輸，處理，存儲和存儲。以前所未有的速度加密大量信息。
為了研究光子(可以充當量子位的單個(gè)光粒子)，研究人員采用了稱(chēng)為量子光學(xué)頻率梳的光源，該光源包含許多精確定義的波長(cháng)。由于它們以光速行進(jìn)并且不與周?chē)h(huán)境相互作用，因此光子是用于長(cháng)距離傳輸量子信息的自然平臺。
眾所周知，光子之間的相互作用很難誘導和控制，但是這些功能對于有效的量子計算機和量子門(mén)是必不可少的，量子計算機和量子門(mén)是在量子位上工作的量子電路。無(wú)用的或不可預測的光子相互作用使雙光子量子門(mén)比標準的單光子門(mén)更難開(kāi)發(fā)，但研究人員在應對這些挑戰的最新研究中取得了幾個(gè)主要里程碑。
例如，他們對光學(xué)研究中使用的現有電信設備進(jìn)行了調整，以針對量子光子學(xué)進(jìn)行優(yōu)化。他們的結果揭示了使用這些資源進(jìn)行傳統通信和量子通信的新方法。
盧肯斯說(shuō)：“使用這種設備操縱量子態(tài)是所有這些實(shí)驗的技術(shù)基礎，但是我們并不希望能夠朝著(zhù)另一個(gè)方向發(fā)展并通過(guò)致力于量子通信來(lái)改善經(jīng)典通信。” “隨著(zhù)我們對這個(gè)研究領(lǐng)域的深入研究，這些有趣而出乎意料的發(fā)現已經(jīng)出現。”
一種這樣的工具，即分束器，將單個(gè)光束分成兩個(gè)頻率或顏色的光。
盧肯斯說(shuō)：“想象一下，有一束光通過(guò)一根具有特定頻率的光纖，例如紅色。” “然后，在通過(guò)分束器之后，光子將以?xún)蓚€(gè)頻率離開(kāi)，因此它將同時(shí)是紅色和藍色。”
該小組的成員是第一批成功地使用標準光波通信技術(shù)設計量子頻率分束器的研究人員。該設備同時(shí)吸收紅色和藍色光子，然后以紅色或藍色頻率產(chǎn)生能量。通過(guò)使用這種方法故意改變光子的頻率，該團隊基于量子干擾(這種現象是光子干擾自己的軌跡)欺騙了頑固的粒子進(jìn)行有益的相互作用。
Lougovski說(shuō)：“事實(shí)證明，現成的設備可以在單光子水平上提供令人印象深刻的控制，這是人們所不知道的。”
此外，研究人員還完成了頻率三振器的第一個(gè)演示，該演示將光束分成三個(gè)不同的頻率，而不是兩個(gè)。他們的結果表明，多個(gè)量子信息處理操作可以同時(shí)運行，而不會(huì )引入錯誤或損壞數據。
團隊的另一項重要成就是該團隊設計并演示了基于重合的受控NOT門(mén)，該門(mén)可使一個(gè)光子控制另一個(gè)光子的頻移。該設備完成了通用量子門(mén)裝置，這意味著(zhù)任何量子算法都可以表示為這些門(mén)內的序列。
Lougovski說(shuō)：“與任何經(jīng)典計算相比，量子計算應用程序需要的控制水平要高得多。”
該團隊還以單個(gè)光子內的多個(gè)獨立值(稱(chēng)為自由度)對量子信息進(jìn)行編碼，這使他們無(wú)需兩個(gè)單獨的粒子即可觀(guān)察類(lèi)似于量子糾纏的效應。糾纏通常涉及兩個(gè)鏈接的粒子，其中對一個(gè)粒子的狀態(tài)所做的更改也適用于另一個(gè)粒子。
最后，研究人員完成了對現實(shí)世界中物理問(wèn)題的量子模擬。他們正在與空軍研究實(shí)驗室的科學(xué)家合作，開(kāi)發(fā)與微型電子學(xué)中常見(jiàn)的相似的微型專(zhuān)用硅芯片，以追求更高的光子性能。
盧肯斯說(shuō)：“從理論上講，我們可以將所有這些操作整合到一個(gè)光子芯片上，我們看到在這個(gè)新平臺上進(jìn)行類(lèi)似量子實(shí)驗的巨大潛力。” “這是真正推動(dòng)這項技術(shù)向前發(fā)展的下一步。”
未來(lái)的量子計算機將使科學(xué)家能夠模擬難以置信的復雜科學(xué)問(wèn)題，即使在超級計算機上，也無(wú)法在當前系統上進(jìn)行研究。同時(shí)，研究小組的發(fā)現可以幫助研究人員將光子系統嵌入當前的高性能計算資源中。
“我們擁有一支非常多元化和才華橫溢的團隊，”盧戈夫斯基說(shuō)。“最重要的是我們正在取得成果。”
這項研究由ORNL的實(shí)驗室指導研究與開(kāi)發(fā)計劃資助。