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我們已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的“量子時(shí)代”，這些基于量子物理學(xué)定律而發(fā)展出的信息處理技術(shù)，將對現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。例如，量子霸權(quán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)在未來可以解決即便是最強(qiáng)大的超級經(jīng)典計(jì)算機(jī)也無法解決的復(fù)雜問題；再比如，具有特殊訪問方式的量子互聯(lián)網(wǎng)可以保護(hù)全世界的信息安全，從根本上避免惡意攻擊。

然而，這些技術(shù)都依賴于一個(gè)重要的概念——“量子信息”，信息通常被編碼在單光子中，它們在長距離傳輸量子信息以及精確處理量子信息方面具有獨(dú)特的能力。然而它們極難被控制和測量。

在一項(xiàng)新的研究中，一組國際科學(xué)家合作研發(fā)出了能在可編程的納米級電路中產(chǎn)生和操縱單光子的芯片設(shè)備。在他們進(jìn)行的一系列突破性實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)可編程芯片之間的信息量子隱形傳態(tài)，演示了兩個(gè)芯片之間的糾纏，在兩個(gè)芯片上的光子共享同一種量子態(tài)。

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量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏來將量子粒子的量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另外一個(gè)地方的。在量子糾纏中，兩個(gè)相互作用的粒子之間可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離“通信”。不管它們相隔多遠(yuǎn)，都可以瞬間共享物理狀態(tài)，改變一個(gè)粒子的狀態(tài)就會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)粒子立即改變。隱形傳態(tài)不僅對量子通信有用，同時(shí)還是光學(xué)量子計(jì)算的基本組成。然而，要真正在實(shí)驗(yàn)室中讓兩個(gè)芯片之間建立一個(gè)糾纏的通信鏈路卻是極具挑戰(zhàn)的。

利用半導(dǎo)體制造技術(shù)，原子、電子和光子等量子信息的天然載體可被嵌入集成器件中。集成光學(xué)為大規(guī)模的量子信息處理和光子收發(fā)提供了一個(gè)平臺。然而，先前的實(shí)驗(yàn)均在產(chǎn)生多個(gè)明亮、純凈且相同的單光子方面遇到了困難，另外在保持較高保真度的情況下糾纏多個(gè)光子量子位也是很具有挑戰(zhàn)性的事。

在新的研究中，科學(xué)家通過使用硅來研發(fā)最先進(jìn)的多光子多量子位量子器件，集成了非線性多光子源和線性多量子位電路，實(shí)現(xiàn)了芯片上的真正多組分糾纏（GME）和量子隱形傳態(tài)。這些芯片能夠在產(chǎn)生于電路內(nèi)的光中對量子信息進(jìn)行編碼，以高效而低噪聲的表現(xiàn)對量子信息進(jìn)行處理。這可以大大提高生成量子計(jì)算機(jī)和量子通信所需的更復(fù)雜的量子電路的能力。

根據(jù)參與研究的丹·盧埃林（Dan Llewellyn）介紹，研究人員在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)芯片之間的高質(zhì)量糾纏，兩個(gè)芯片上的光子共享一個(gè)量子態(tài)。然后，每個(gè)芯片都被完全編程，并執(zhí)行一系列利用量子糾纏現(xiàn)象的演示。其中最有代表性的就是雙芯片隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行量子測量后，粒子的量子態(tài)在兩個(gè)芯片間傳輸。這種測量利用了量子物理的奇異的行為，它會(huì)同時(shí)破壞糾纏，將粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)移到接收芯片上的另一個(gè)粒子那里。

論文合著者伊馬德·法魯克（Imad Faruque）博士補(bǔ)充道：“基于我們先前對芯片上高質(zhì)量單光子源的研究結(jié)果，我們已經(jīng)建立了一個(gè)包含四個(gè)源的更復(fù)雜的電路。所有這些光源都經(jīng)過測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們發(fā)射的光子幾乎相同，這是我們進(jìn)行的糾纏交換等一系列實(shí)驗(yàn)的基本標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

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在研究中，多光子多量子比特態(tài)的產(chǎn)生、處理、收發(fā)和測量都是在微米級硅芯片上實(shí)現(xiàn)的，芯片由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝制造。結(jié)果表明，這種量子隱形傳態(tài)的保真度極高，達(dá)到了91%。此外，研究人員還展示了其他一些重要功能，如糾纏交換和四光子 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）態(tài)，它們對量子中繼器、量子計(jì)算機(jī)和量子互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域十分重要。

論文的通訊作者王劍威博士目前在北京大學(xué)工作，他認(rèn)為，量子光子器件和經(jīng)典電子控制的單硅芯片集成在不遠(yuǎn)的未來將打開一扇大門，讓兼容 CMOS 技術(shù)的完全利用芯片的量子通信和信息處理網(wǎng)絡(luò)成為可能。這項(xiàng)研究為用于量子通信和計(jì)算的大規(guī)模集成量子光子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。