原标题：量子技术新突破：按一下按钮就能实现量子传输！

导读

在新型量子信息技术中，“脆弱”的量子状态必须在遥远的量子位之间传输。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员实现了在两个固态量子位之间的量子传输，只需按一下按钮就可以完成。

背景

无论规模大小，数据传输都是现代信息社会的支柱。在互联网上，数据在全世界范围内的电脑之间交换，通常使用的是光纤电缆。从另一方面来说，在计算机内，数据必须在不同的处理器之间来回穿梭。可靠的数据交换，对于目前正在开发的新型量子技术来说，也有着非常重要的意义。可是，与此同时，要实现这种可靠的数据交换，难度也非常高。

(图片来源：巴塞尔大学物理系)

创新

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的一个物理学家团队，在固体物理实验室的 Andreas Wallraff 领导下，简单地按下按钮，就成功实现了约一米之遥的两个量子位之间高保真的量子信息传输。他们的研究成果发表于这周的科学杂志《自然(Nature)》。

(图片来源：ETH Zurich /M. Pechal, T. Walter, P. Kurpiers)

技术

量子计算机与量子密码学等量子信息技术的主要特点，就是采用量子位(qubits)作为基本的信息单元。不同于经典的比特位，量子位并不是简单的表示数据0或者1，而是具有一种所谓的“量子叠加态”，即量子位可能同时处于“即是0又是1”的状态。

从一方面说，量子位将有利于构建出极其强大的量子计算机，量子计算机可以利用叠加态展开比经典计算机更加高效且快速的运算。从另一方面说，这些状态也非常敏感，不能简单地通过传统技术传输。

问题主要是：“静态”的量子位首先必须被转化为“飞行”的量子位，例如光子，然后再转回另外一种“静态”的量子位。几年前，研究人员已经能采用这种方式传输原子的量子状态。举个例子，笔者曾经介绍过西班牙光子科学研究所(ICFO)的研究人员实现了一种基础的“混合”量子网络连接，采用单个光子作为信息载体，在位于不同实验室的两个不同的量子节点之间进行光量子通信。

(图片来源：ICFO/Scixel)

Wallraff 及其同事也在相隔一定距离的两个固态超导量子位之间，成功地实现了这种传输。为了实现这个目标，物理学家们采用连接天线终端设备的同轴电缆来连接两个超导量子位。第一个量子位的量子状态，由包含于其中的超导电子对(也称为“库柏对”)的个数来定义。首先，通过采用高度精准控制的微波脉冲，让第一个量子位的量子状态传输至谐振器的微波光子。然后，从那个谐振器开始，光子会再一次通过微波脉冲，“飞越”同轴电缆到达第二个谐振器，将它的量子状态传递到第二个量子位。近期耶鲁大学也开展了相似的实验。

价值

Wallraff 实验室的博士生 Philipp Kurpiers 表示：“我们方案的重点在于，量子状态的传输是确定性的，这意味着按一下按钮就可以使它工作。”在先前的一些实验中，量子状态的传输也得到了实现，但是传输是概率性的：有时候可以成功，但是大多数时间是失败的。例如，一个成功的传输可以通过“宣布式光子”来发送信号。每当传输失败时，就简单地再试一次。当然，这种方式下有效的量子传输比率会大幅降低。因此，对于实际应用来说，确定性方法，例如ETH所演示的，具有明显的优势。

Andreas Wallraff 表示：“我们的量子状态传输比率是所有已实现方案中最高的，而且在协议的首次实现中，80%的情况下，传输保真度都非常好。”研究人员也采用他们的技术创造出两个量子位之间高达每秒5万次的量子纠缠。这种传输过程本身只需不足百万分之一秒，这意味着这种传输率提升空间还很大。量子纠缠在两个相隔遥远的量子物体之间创造出了密切的联系，这种功能可用于密码学或者量子隐形传态。

(图片来源：Christoph Hohmann / 慕尼黑纳米系统研究)

未来

下一步，研究人员想要尝试采用两个量子位，一个作为发射机，另一个作为接收机，实现一对量子位之间的量子纠缠交换。这种过程对于更为大型的量子计算机非常有用，这些大型量子计算机有望在未来几年内构建出来。目前的量子计算机只由少数几个量子位组成，但是当尝试构建具有几百个量子位的更大型的量子计算机时，设计人员就必须考虑如何更加有效地连接它们，从而以尽可能最佳的方式展示量子计算机的优势。

就像如今由单计算机组成的计算机集群一样，采用Wallraff 的技术，量子计算机模块也将会被连接到一起。目前的传输距离大约是一米，未来这个距离肯定会被增加。近日，Wallraff 及其同事展示了一个超冷的超导线，它可以跨越几十米的距离以极低的损耗传输光子。因此，将它们连接成量子计算中心，未来将极有可能实现。

关键字

量子计算、量子加密、量子传输、超导

参考资料

【1】https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2018/06/push-button-quantum-transfer.html

【2】Kurpiers P, Magnard P, Walter T, Royer B, Pechal M, Heinsoo J, Salathé Y, Akin A, Storz S, Besse J-C, Gasparinetti S, Blais B, Wallraff A. Deterministic quantum state transfer and remote entanglement using microwave photons. Nature, volume 558, pages 264–267 (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0195-y返回搜狐，查看更多

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