首次实现双芯片之间的量子纠缠

1

我们已经进入一个新的“量子时代”，这些基于量子物理学定律而发展出的信息处理技术，将对现代社会产生深远的影响。例如，量子霸权已经实现，量子计算机在未来可以解决即便是最强大的超级经典计算机也无法解决的复杂问题；再比如，具有特殊访问方式的量子互联网可以保护全世界的信息安全，从根本上避免恶意攻击。

然而，这些技术都依赖于一个重要的概念——“量子信息”，信息通常被编码在单光子中，它们在长距离传输量子信息以及精确处理量子信息方面具有独特的能力。然而它们极难被控制和测量。

在一项新的研究中，一组国际科学家合作研发出了能在可编程的纳米级电路中产生和操纵单光子的芯片设备。在他们进行的一系列突破性实验中，首次实现了两个可编程芯片之间的信息量子隐形传态，演示了两个芯片之间的纠缠，在两个芯片上的光子共享同一种量子态。

2

量子隐形传态是利用量子纠缠来将量子粒子的量子态从一个地方传送到另外一个地方的。在量子纠缠中，两个相互作用的粒子之间可以进行远距离“通信”。不管它们相隔多远，都可以瞬间共享物理状态，改变一个粒子的状态就会导致另一个粒子立即改变。隐形传态不仅对量子通信有用，同时还是光学量子计算的基本组成。然而，要真正在实验室中让两个芯片之间建立一个纠缠的通信链路却是极具挑战的。

利用半导体制造技术，原子、电子和光子等量子信息的天然载体可被嵌入集成器件中。集成光学为大规模的量子信息处理和光子收发提供了一个平台。然而，先前的实验均在产生多个明亮、纯净且相同的单光子方面遇到了困难，另外在保持较高保真度的情况下纠缠多个光子量子位也是很具有挑战性的事。

在新的研究中，科学家通过使用硅来研发最先进的多光子多量子位量子器件，集成了非线性多光子源和线性多量子位电路，实现了芯片上的真正多组分纠缠（GME）和量子隐形传态。这些芯片能够在产生于电路内的光中对量子信息进行编码，以高效而低噪声的表现对量子信息进行处理。这可以大大提高生成量子计算机和量子通信所需的更复杂的量子电路的能力。

根据参与研究的丹·卢埃林（Dan Llewellyn）介绍，研究人员在实验室里实现了两个芯片之间的高质量纠缠，两个芯片上的光子共享一个量子态。然后，每个芯片都被完全编程，并执行一系列利用量子纠缠现象的演示。其中最有代表性的就是双芯片隐形传态实验。在进行量子测量后，粒子的量子态在两个芯片间传输。这种测量利用了量子物理的奇异的行为，它会同时破坏纠缠，将粒子状态转移到接收芯片上的另一个粒子那里。

论文合著者伊马德·法鲁克（Imad Faruque）博士补充道：“基于我们先前对芯片上高质量单光子源的研究结果，我们已经建立了一个包含四个源的更复杂的电路。所有这些光源都经过测试，结果发现它们发射的光子几乎相同，这是我们进行的纠缠交换等一系列实验的基本标准。”

3

在研究中，多光子多量子比特态的产生、处理、收发和测量都是在微米级硅芯片上实现的，芯片由互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造。结果表明，这种量子隐形传态的保真度极高，达到了91%。此外，研究人员还展示了其他一些重要功能，如纠缠交换和四光子 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）态，它们对量子中继器、量子计算机和量子互联网等领域十分重要。

论文的通讯作者王剑威博士目前在北京大学工作，他认为，量子光子器件和经典电子控制的单硅芯片集成在不远的未来将打开一扇大门，让兼容 CMOS 技术的完全利用芯片的量子通信和信息处理网络成为可能。这项研究为用于量子通信和计算的大规模集成量子光子技术奠定了基础。