“Qutrit”量子实验获得成功:量子通信向前迈出

科学家第一次成功传输qutrit量子信号,该信号为一个三方的量子信息单元,这一研究成果先后由中国和奥地利的科学家完成。首先是中国的物理学家郭光灿和中国科技大学(USTC)的同事们在4月28日发表了他们的结果,接着是奥地利科学院的Anton Zeilinger和中国科技大学的潘建伟领导的国际合作团队,他们在6月24日公布了其研究结果。

量子隐形传态领域长期以来仅限于量子信息的量子比特单位,类似于经典计算中使用的二进制“比特”。这些概念验证实验表明:在未来的量子网络中可以使用携带更多信息并且具有比量子比特更大的抗噪声性能的qutrits。

量子远距离传送这个名字让人联想到“星际迷航”中的一项技术,其中“运输者”可以“射出”宏观物体在遥远的太空点之间。而在量子隐形传态中,被传输的是两个纠缠粒子的状态例如电子的自旋。即使相隔很远,纠缠的粒子也有着神秘的联系,在两个纠缠电子的情况下,无论一个电子的自旋发生什么,都会瞬间影响另一个电子的自旋。

量子隐形传态在未来可能对安全通信具有重要作用,并且大部分研究都是考虑到网络安全应用。在2017年,潘建伟、Zeilinger和他们的同事利用中国的墨子号卫星进行了世界上最长的通信实验,跨越了7600公里,两个光子被传送到维也纳和中国。

通过获取有关光子状态的信息,每个位置的研究人员都能够有效地构建一个不可识别的密码,用于进行安全的视频通话。这种技术就像一封信上的蜡封:任何窃听都会干扰并留下可检测的标记。

研究人员试图传送更复杂的粒子状态并取得一些成功。在2015年发表的一项研究中,潘建伟和他的同事设法传送了两个光子态:旋转和轨道角动量。尽管如此,这些状态中的每一个都是二进制的,系统仍在使用量子比特。直到现在,科学家还没有传送任何更复杂的状态。

经典二进制位可以是0或1,其量子对应物为量子位,通常被称为0和1两种状态的叠加。例如,考虑一个光子,它可以表现出水平或垂直偏振。这样的量子比特很容易让研究人员构建。经典三分法可以是0、1或2,意味着qutrit必须体现所有三种状态的叠加。这使得qutrits比qubits更难制作。

为了创造他们的四分法,两个团队都使用了光子的三分支路径,用精心编排的激光、分束器和硼酸钡晶体的光学系统表达。考虑到这种神秘安排的一种方法是着名的双缝实验,在那个经典实验中,光子同时穿过两个狭缝,形成一个波状干涉图案。每个狭缝的状态为0和1,因为光子穿过两者,为光子添加第三个狭缝以进行遍历,结果是一个qutrit-量子系统,由三个状态的叠加定义,其中光子的路径有效地编码信息。

从光子中创造一个qutrit只是另一个研究阶段的开始。两支团队也不得不将两个qutrits纠缠在一起,而这绝非易事,因为光很少与自身相互作用。

但是,一些研究人员不太相信这一研究结果。东京大学的物理学家Akira Furusawa说,这两个团队使用的方法不适合实际应用,因为它很慢且效率低下。

研究人员承认这一缺陷,科学是一步一步地走过来的,首先,你让不可能的事情成为可能,然后你才能努力让它更完美。

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