如何在10万个原子核中“大海捞针”？新研究探测稠密云中的单个量子比特

研究人员已经找到了一种方法，利用光和单个电子与一团量子比特进行通信，并感知它们的行为，从而有可能探测到稠密云中的单个量子比特。

来自剑桥大学的研究人员能够在10万个原子核组成的“大海捞针”中注入高度脆弱的量子信息。

利用激光来控制电子，研究人员可以利用电子来控制“大海”的行为，从而更容易找到“针”。

他们能够以百万分之1.9的精度探测到“针”，这个精度足以探测到这个大集合中的一个量子比特。

该技术可以将高度脆弱的量子信息以光学的方式发送到核系统中进行存储，并以最小的干扰验证其印记，这是基于量子光源的量子互联网发展的重要一步。

研究结果发表在《自然物理》杂志上。

第一批量子计算机即将问世，它将利用亚原子粒子的奇怪行为，远超最强大的超级计算机。

然而，要充分利用它们的潜力，就需要一种将它们连接起来的方法：量子互联网。

传输量子信息的光通道有望成为量子互联网的候选光源，目前没有比半导体量子点更好的量子光源：本质上是人造原子的微小晶体。

然而，有一件事阻碍了量子点和量子互联网的发展：在网络中临时存储量子信息的能力。

领导这项研究的剑桥卡文迪什实验室的Mete Atatüre教授说：“解决这个问题的方法是将脆弱的量子信息隐藏在每个量子点所包含的10万个原子核组成的云中，就像大草堆中的一根针一样。”

“但如果我们试图像与比特通信一样与这些核通信，它们往往会随机‘翻转’，创造一个嘈杂的系统。”

量子点中包含的量子比特云通常不会以集体状态运行，这使得从量子点中获取信息成为一个挑战。

然而，Atatüre和他的同事在2019年证明，当用光将这些原子核冷却到超低温度时，可以让它们一起“量子舞蹈”，显著减少系统中的噪音。

现在，他们又迈出了在核中存储和检索量子信息的另一个基本步骤。

通过控制10万个原子核的集体状态，他们能够以百万分之1.9的超高精度探测到作为“翻转量子比特”的量子信息是否存在：足够观测到原子核云中一个比特的翻转。

“从技术上讲，这是非常苛刻的，”Atatüre说，他也是圣约翰学院的研究员。

“我们没有办法与云‘对话’，云也没有办法与我们对话。但我们可以与电子对话：我们可以像牧羊犬牧羊一样与它交流。”

利用来自激光的光，研究人员能够与电子通信，然后电子与原子核的自旋(固有角动量)通信。

通过与电子对话，混沌的自旋集合开始冷却并聚集在引导的电子周围；在这种更有序的状态下，电子可以在原子核中产生自旋波。

Atatüre说：“如果我们把我们的旋转云想象成一群10万只绵羊随机移动，很难看到一只绵羊突然改变方向。”

“但如果整群羊都像明确的波浪一样移动，那么一只羊改变方向就会变得非常明显。”

换句话说，将由单个核自旋翻转产生的自旋波注入到整体中，可以更容易地在100,000个核自旋中检测单个核自旋翻转。

利用这种技术，研究人员能够向量子比特发送信息，并以最小的干扰“监听”自旋在说什么，直到量子力学设定的基本极限。

卡文迪什实验室的博士生、共同第一作者Daniel Jackson说：“利用这种控制和传感能力，我们下一步将演示如何存储和检索核自旋寄存器中的任意量子比特。”

圣约翰学院的研究员、共同第一作者Dorian Gangloff说：“这一步将完成连接光的量子存储器，这是实现量子互联网道路上的主要基石。”

这项技术除了可能用于未来的量子互联网之外，还可能用于固态量子计算的发展。

这项研究得到了欧洲研究委员会(ERC)、工程和物理科学研究委员会(EPSRC)和英国皇家学会的部分支持。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210215131229.htm