芝加哥大学分子工程研究所科学家们在发展量子技术的探索中取得了两个突破。在一项研究中，他们首次使用声音纠缠了两个量子比特；在另一项研究中建立了迄今为止质量最高的两个量子位元之间的远距离连接。这项研究工作让我们离利用量子技术制造更强大的计算机、超敏感传感器和安全传输又近了一步。该研究的合著者、IME和芝加哥大学附属阿贡国家实验室分子工程学老约翰·a·麦克林教授安德鲁·克莱兰说：这两项技术都是量子通信领域的革命性进步！

作为超导量子技术发展的领导者，研究团队建造了第一台“量子机器”，在一个机械谐振器中展示了量子性能。其中一个实验展示了我们现在可以达到的精度和准确度，另一个实验展示了这些量子位元的一种基本新能力。科学家和工程师们看到了量子技术的巨大潜力。量子技术利用自然界粒子的奇特特性来操纵和传输信息。例如，在某些条件下，两个粒子可以“纠缠”——即使它们没有物理上的联系，但它们的命运也是相连的。缠绕粒子可以让你做各种各样很酷的事情，比如把信息瞬间传送到太空，或者建立一个不可破坏的网络。

分子工程研究所的研究人员致力于超导量子技术。图片：Nancy Wong

但是这项技术还有很长的路要走——确切地说：一个巨大的挑战是沿着电缆或光纤发送量子信息，无论距离有多远。发表在《自然物理》上的一项研究中，克莱兰实验室利用超导量子位元构建了一个系统，该系统可以沿着一条近一米长的轨道交换量子信息，具有极高的可信度——此前已经证明，该系统的性能要高得多。克莱兰研究组的研究生、论文第一作者钟友鹏(音译)说：这种耦合是如此之强，以至于我们可以证明一种叫做‘量子乒乓’的量子现象——当单个光子反弹回来时，发射并捕捉它们。

博士后研究员Audrey Bienfait(左)和研究生Youpeng Zhong在芝加哥大学分子工程研究所Andrew Cleland教授的实验室工作。图片(同下图)：Nancy Wong

科学家突破之一是制造出正确的设备来发送信号，关键是要把脉冲正确地塑造成弧形，就像以正确的速度缓慢地打开和关闭阀门一样。这种“节流”量子信息的方法帮助他们获得了如此清晰的信息，以至于该系统可以通过一个被称为“贝尔测试”的量子纠缠金标准测量。这是超导量子位元的首次应用，它可以用于建造量子计算机以及量子通信。另一项研究发表在《科学》(Science)上，展示了一种利用声音纠缠两个超导量子位元的方法。科学家和工程师在推进量子技术过程中面临的一个挑战是，如何将量子信号从一种介质转换成另一种介质。

例如，微波光非常适合在芯片内部携带量子信号，但不能通过空气中的微波发送量子信息，信号被淹没了。研究小组建立了一个系统，可以将量子位元的微波语言转换成声波，并让它穿过芯片——使用另一端的接收器进行反向转换。这项研究的第一作者、博士后研究员奥德丽·比恩费特(Audrey Bienfait)说：这需要一些创造性的工程技术，微波和声学不是朋友，所以我们必须把它们分别放在两种不同的材料上，然后把它们叠在一起。但现在我们已经证明这是可能的，它为量子传感器开启了一些有趣的新可能性。

博科园-科学科普｜研究/来自: 芝加哥大学

参考期刊文献:《Science》,《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0507-7

DOI: 10.1126/science.aaw8415

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