美首次用微波让两个离子发生量子纠缠

2011-8-12 09:03 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网8月11日(北京时间)报道,美国科学家首次用微波替代常用的激光束,让两个独立的离子(带电原子)发生量子纠缠,这表明,智能手机中采用的微型化商用微波技术可取代量子计算机要求的房间大小的“激光器阵列”,这将大大减小量子计算机的“块头”。最新研究发表在8月11日出版的《自然》杂志上。

  量子计算机主要利用量子物理学的“奇异”规则来解决某些问题,量子纠缠对量子计算机的信息传输和纠错至关重要。离子可作为量子位(量子计算机中的最小信息单位)来存储信息。尽管包括超导电路(人造原子)等在内的量子位的其他“候选者”也能被微波在芯片上操作,但实验表明,离子量子位的表现更好,因为当粒子数量增加时,对离子进行控制的精确度更高且信息损失更少。

  量子纠缠是多个粒子联动的状态,到目前为止制出量子纠缠需要高功率激光等大型装置。而微波作为无线通讯的载体,同复杂且昂贵的激光源相比,微波元件更容易扩展和升级,以便科学家制造出利用成千上万个离子进行量子计算和模拟的实用设备。

  此前,科学家们已成功使用微波实现了对单个离子的操控。现在,国家标准与技术研究院(NIST)的科研团队首次借用微波让单个镁离子的“自旋”发生旋转并让一对离子自旋发生了纠缠。该研究的合作者、NIST的物理学家迪特里希·莱布弗里得称,这是一套常见的量子逻辑操作,旋转和纠缠可按顺序组合以执行量子力学许可的任何计算。

  在实验中,两个离子被电磁场“扣住”并在一个由镀在氮化铝衬垫物上的金电极组成的离子陷阱芯片上盘旋。有些电极会被激活,在离子周围制造出频率介于1GHz到2GHz之间、振动的微波辐射脉冲,微波产生了让离子自旋发生旋转的磁场。离子自旋能被看作是指向不同方向的细小条形磁铁,这些磁铁的方向是一种量子属性,可用来表达信息。

  使用微波减少了因激光束指向、能量以及被离子诱导的激光器自发发射的不稳定所导致的错误。然而,科学家们仍然需要改进微波操作才能使实际的量子计算或量子模拟成为可能。在实验中,76%的时间发生了量子纠缠,超过了定义量子属性发生所要求的50%这个最低值,但仍然无法与由激光器操作离子达到的最高值99.3%相抗衡。

  莱布弗里得表示:“最终,一台中等大小的量子计算机或许看起来由一部智能手机与激光笔一样的设备结合在一起形成,复杂的量子计算机可能和普通台式机一样大。”