【研究：量子纠缠光子对支付交易进行加密】

【研究：量子纠缠光子对支付交易进行加密】2023年07月05日03点38分老不正经报道，维也纳量子科学技术中心7月4日发表的一篇题​​为“量子数字支付的演示”的论文中，研究人员展示了可能是第一个基于量子力学的“无条件安全”数字交易系统。为了实现这一目标，研究人员使用一对量子纠缠光子对支付交易进行加密。通过这种纠缠，其中一个光子的任何状态变化都会准确地反映在另一个光子中，即使相隔一定距离，研究人员也能够确保任何修改交易的尝试都会受到量子力学本身性质的阻碍。研究人员称，我们展示了量子光如何通过生成本质上不可伪造的量子密码来确保日常数字支付的安全。量子纠缠最有用的特征之一是，在测量纠缠物体之前，我们无法知道它处于什么状态。

操控"量子光"的空前突破 让光子与人造原子相互作用

操控"量子光"的空前突破让光子与人造原子相互作用艺术家对光子与人造原子相互作用后如何结合的印象。资料来源：巴塞尔大学爱因斯坦在1916年提出的刺激性光发射被广泛观察到，用于大量的光子，并为激光的发明奠定了基础。通过这项研究，现在已经观察到了单光子的刺激发射。具体来说，科学家们可以测量一个光子和一对绑定的光子从一个量子点（一种人工创造的原子）散射出来的直接时间延迟。悉尼大学物理学院的SahandMahmoodian博士和这项研究的共同主要作者说："这为操纵我们可以称之为'量子光'打开了大门。这一基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。"来自悉尼大学物理学院的联合主要作者SahandMahmoodian博士。资料来源：悉尼大学一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量的波型--而是同时表现出这两种特性，即所谓的波粒二象性。光与物质相互作用的方式继续让科学家和人类的想象力着迷，既因为其理论上的美丽，也因为其强大的实际应用。无论是光如何穿越星际介质的广阔空间，还是激光的发展，对光的研究都是一门具有重要实际用途的科学。没有这些理论基础，几乎所有的现代技术都是不可能的。没有移动电话，没有全球通信网络，没有计算机，没有GPS，没有现代医学成像。联合第一作者巴塞尔大学纳米光子学小组的娜塔莎-托姆博士。在通信中使用光--通过光导纤维--的一个优势是，光能包，即光子不容易相互影响，这创造了近乎无失真的光速信息传输。然而，我们有时希望光能够相互作用。在这里，事情变得很棘手。例如，光被用来测量距离的微小变化，使用的仪器称为干涉仪。这些测量工具现在很普遍，无论是在先进的医学成像中，还是在对牛奶进行质量控制等重要但也许更平凡的任务中，或是以LIGO等精密仪器的形式，它在2015年首次测量了引力波。量子力学定律对此类设备的灵敏度设定了限制。这个限制是在测量的敏感程度和测量设备中的平均光子数量之间设定的。对于经典激光，这与量子光不同。联合主要作者、巴塞尔大学的娜塔莎-托姆博士说。"我们建造的设备在光子之间诱发了如此强烈的相互作用，我们能够观察到一个光子与之相互作用与两个光子之间的差异。"我们观察到，与两个光子相比，一个光子被延迟了更长的时间。有了这种真正强大的光子-光子互动，两个光子以所谓的双光子束缚状态的形式变得纠缠在一起。"像这样的量子光有一个优势，即原则上它可以用更少的光子进行更敏感的测量，具有更好的分辨率。这对于生物显微镜的应用非常重要，因为大的光强度可能会损坏样品，而且要观察的特征特别小。Mahmoodian博士说："通过证明我们可以识别和操纵光子结合状态，我们已经向利用量子光的实际用途迈出了重要的第一步。我研究的下一步是看这种方法如何被用来产生对容错量子计算有用的光态，这是由数百万美元的公司，如PsiQuantum和Xanadu追求的。"Tomm博士说："这个实验是令人惊艳的，不仅因为它验证了一个基本的效应--刺激发射--的终极极限，而且它还代表了向先进应用迈出的巨大技术一步。我们可以应用同样的原理来开发更有效的设备，给我们提供光子束缚状态。这对广泛领域的应用是非常有希望的：从生物学到先进的制造业和量子信息处理。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350677.htm

量子突破：多功能金属膜如何改变光子学

量子突破：多功能金属膜如何改变光子学用于任意塑造二维六方氮化硼量子发射的多功能金属膜的艺术插图。资料来源：ChiLi、JaehyuckJang、TrevonBadloe、TieshanYang、JoohoonKim、JaekyungKim、MinhNguyen、StefanA.Maier、JunsukRho、HaoranRen、IgorAharonovich。量子发射是实现光子量子技术的关键。固态单光子发射器（SPE），如六方氮化硼（hBN）缺陷，可在室温下工作。它们因其坚固性和亮度而备受青睐。从SPE收集光子的传统方法依赖于高数值孔径(NA)物镜或微结构天线。虽然光子收集效率很高，但这些工具无法操控量子发射。要对发射的量子光源进行任何所需的结构化处理，都需要多个笨重的光学元件，如偏振器和相位板。在最近发表在《eLight》杂志上的一篇新论文中，莫纳什大学的ChiLi博士和HaoranRen博士领导的一个国际科学家团队开发出了一种新型多功能金属膜，用于构造SPE的量子发射。以不同空间形式任意变换光束的能力对于量子光源来说至关重要。元表面改变了光子设计的面貌。它带来了从光学成像和全息技术到激光雷达和分子传感的重大技术进步。最近，人们设计了将纳米级发射器直接集成到纳米结构谐振器和元表面的方法，以收集和演示对SPE发射的基本定制。这些最初的演示证明了平面光学在推动量子发射操纵方面的必要性。研究小组通过设计和制造一种多功能金属膜来解决这一问题。韩国物理学家JaehyuckJang博士、TrevonBadloe博士和浦项科技大学的JunsukRho教授制造出了这种新型金属膜。它可以同时调整方向性、极化和轨道角动量（OAM）自由度。他们利用金属离子演示了在室温下从氢化硼中的固相萃取物（SPEs）进行量子发射的多维结构化。研究小组展示了量子发射方向性的任意塑造。他们还表明，可以在金属感曲线上添加不同的螺旋波面，从而在SPE的正交极性中产生独特的OAM模式。这项突破性的实验工作由IgorAharonovich教授领导的悉尼科技大学和TMOS（澳大利亚研究理事会卓越中心）完成。所展示的多自由度量子发射任意波前整形技术可以充分释放固态SPE的潜力，将其用作先进量子光子应用的高维量子源。该团队的新技术提供了一个新平台，利用超薄元光学器件在室温下实现多自由度量子发射的任意波前整形。它可能为量子信息科学领域提供新的见解。研究小组认为，操纵光子的偏振可以改善滤波效果，从而对量子密码学和纠缠分发产生重大影响。偏振分离对于未来利用氢化硼SPE生成偏振纠缠光子对至关重要。金属膜的未来扩展可实现高维单光子混合量子态的产生。未来将结构化SPE源与可靠的传输环境（如光纤）进行整合，将有望实现信息容量更大、抗噪声能力更强、安全性更高的量子网络。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376677.htm

研究人员率先在光子芯片上实现量子模拟

研究人员率先在光子芯片上实现量子模拟罗切斯特大学的研究人员开发的一个新系统使他们能够在一个模拟物理世界的合成空间中进行量子模拟，通过控制量子纠缠光子的频率，或颜色，随着时间的推移。资料来源：罗切斯特大学图片/MichaelOsadciw来自罗切斯特大学哈吉姆工程与应用科学学院的一个研究小组开发了一个新的芯片级光量子模拟系统，可以帮助使这种系统变得可行。由电子和计算机工程及光学教授林强领导的这个团队于6月22日在《自然-光子学》杂志上发表了他们的研究结果。林强的团队在一个模拟物理世界的合成空间中进行了模拟，通过控制量子纠缠光子的频率或颜色，随着时间的流逝。这种方法不同于传统的基于光子的计算方法，在这种方法中，光子的路径被控制，也大大减少了物理足迹和资源需求。"我们第一次能够生产出量子相关的合成晶体，"林说。"新方法大大扩展了合成空间的尺寸，使我们能够对几个量子尺度的现象进行模拟，如量子纠缠光子的随机行走。"研究人员介绍说，这个系统可以作为未来更复杂的模拟的基础。"虽然被模拟的系统已被充分理解，但这个原则性证明实验显示了这种新方法的力量，可以扩展到更复杂的模拟和计算任务，这是我们在未来非常兴奋的研究内容，"该研究的主要作者UsmanJavid'23博士（光学）说。林强小组的其他共同作者包括雷蒙德-洛佩斯-里奥斯、凌敬伟、奥斯汀-格拉夫和杰里米-斯塔法。该项目得到了美国国家科学基金会、国防威胁减少局的化学和生物防御联合科技办公室以及国防高级研究计划局的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368509.htm

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠一项基于先进照相技术的新技术展示了一种快速高效地重建纠缠粒子完整量子态的方法。渥太华大学的研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛-齐亚（DaniloZia）和法比奥-斯基亚里诺（FabioSciarrino）合作，最近展示了一种新技术，能够实时可视化两个纠缠光子（构成光的基本粒子）的波函数。用一双鞋作比喻，纠缠的概念可以比作随机选择一只鞋。当你辨认出一只鞋子的那一刻，另一只鞋子的性质（是左鞋还是右鞋）就会立刻被分辨出来，而不管它在宇宙中的位置如何。然而，耐人寻味的是，在观察的确切时刻之前，与识别过程相关的固有不确定性。波函数是量子力学的核心原理，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的"波函数"可以携带左右、大小、颜色等信息。更准确地说，波函数能让量子科学家预测对量子实体进行各种测量的可能结果，如位置、速度等。照片（从左到右）：AlessioD'Errico博士、EbrahimKarimi博士和NazaninDehghan。图片来源：渥太华大学这种预测能力非常宝贵，尤其是在飞速发展的量子技术领域，了解量子计算机产生或输入的量子态，将使我们能够测试计算机本身。此外，量子计算中使用的量子态极其复杂，涉及许多可能表现出强非局部相关性（纠缠）的实体。了解这样一个量子系统的波函数是一项极具挑战性的任务--这也被称为量子态层析成像或量子层析成像。采用标准方法（基于所谓的投影运算）进行全面层析需要大量测量，而测量次数会随着系统复杂度（维度）的增加而迅速增加。该研究小组以前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要几个小时甚至几天的时间。此外，结果的质量对噪声非常敏感，并取决于实验装置的复杂程度。量子层析成像的投影测量方法可以理解为观察从独立方向投射到不同墙壁上的高维物体的影子。研究人员所能看到的只是这些阴影，而从这些阴影中，他们可以推断出整个物体的形状（状态）。例如，在CT扫描（计算机断层扫描）中，可以从一组二维图像中重建三维物体的信息。不过，在经典光学中，还有另一种重建三维物体的方法。这种方法被称为数字全息术，其基础是通过将物体散射的光与参考光进行干涉而获得的单幅图像，即干涉图。由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术联合研究所（NexQT）联合主任、理学院副教授EbrahimKarimi领导的研究小组将这一概念扩展到了双光子的情况。重构双光子态需要将其与假定的众所周知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。对同时到达的两个光子进行成像被称为巧合成像。这些光子可能来自参考源，也可能来自未知源。量子力学指出，光子的来源无法确定。这就产生了一种干涉模式，可用于重建未知波函数。先进的照相机能以纳秒（1,000,000,000秒）的分辨率记录每个像素上的事件，使这项实验成为可能。论文共同作者之一、渥太华大学博士后AlessioD'Errico博士强调了这一创新方法的巨大优势："这种方法比以前的技术快了数倍，只需要几分钟或几秒钟，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响--这是解决投影层析成像中长期存在的可扩展性难题的一种方法。"这项研究的影响不仅限于学术界。它有可能加速量子技术的进步，如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387125.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387125.htm

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者PeterZoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.htm