利用多部分混合纠缠技术解决量子传送中的噪声问题

利用多部分混合纠缠技术解决量子传送中的噪声问题一种创新的量子传送方法，它通过多部分混合纠缠来抵抗量子系统因环境干扰而产生的退相干效应。通过全光学的实验设置，研究团队证实了这种方法在控制退相干中的有效性，使得量子信息即使在极端条件下也能高效传送。该研究不仅成功地展示了高保真度的量子传送，还为未来量子通信技术的发展打开了新的可能。退相干是量子系统因与周围环境相互作用而失去量子态相干性的过程。关注频道@ZaiHuaTG频道投稿@ZaiHuabot

量子技术的新基石：量子点和扭曲光

量子技术的新基石：量子点和扭曲光通过量子点源设计基于粒子内和粒子间轨道角动量纠缠态的灵活平台方案。资料来源：NicolòSpagnolo量子点：桥梁技术量子点（QDs）是一种具有巨大潜力的微小粒子。来自罗马萨皮恩扎大学、巴黎萨克雷大学和那不勒斯费德里科二世大学的研究团队将OAM的特性与量子点的特性相结合，在两种尖端技术之间架起了一座桥梁。他们的研究成果发表在同行评审金牌娱乐《先进光子学》（AdvancedPhotonics）杂志上。拟议协议的概念方案。以近乎确定性的方式操纵由QD光源产生的单光子的偏振和OAM，通过q板使两个自由度相互作用，产生粒子内纠缠态。在粒子间机制中，两个光子在由偏振和OAM组成的混合空间中以特定状态为特征，通过分束器发生干涉。通过对重合次数的后选择，实现了一个概率纠缠门。资料来源：AlessiaSuprano创新在哪里？他们建造的这座桥可以灵活地用于两个目标。首先，它可以制造在OAM偏振空间内纠缠的纯单光子，研究人员可以直接对其进行计数。其次，这座桥还能制造量子世界中强相关的光子对。它们是纠缠在一起的，因此每个单光子的状态都不能独立于另一个光子的状态来描述，即使它们相距甚远。这对量子通信和加密来说意义重大。这个新平台有可能在粒子内部和粒子之间创建混合纠缠态，所有这些都属于高维希尔伯特空间。一方面，研究小组实现了纯单光子的产生，其量子态在混合OAM极化域内表现出不可分离性。通过利用几乎确定性的量子源与q板（一种能够根据单光子偏振调整OAM值的设备）的结合，研究人员可以通过单光子计数直接验证这些状态，从而避免了预示过程的需要并提高了生成率。另一方面，研究小组还利用单光子内部的不可分性概念作为资源，生成在混合OAM偏振空间内具有纠缠性的单光子对。罗马萨皮恩扎大学物理系量子信息实验室主任FabioSciarrino教授对此评论说："提出的灵活方案代表着高维多光子实验向前迈进了一步，它可以为基础研究和量子光子应用提供一个重要平台。"对量子技术的影响从本质上讲，这项研究标志着在追求先进量子技术的道路上迈出了重要一步。这就好比连接了两座大城市。这种连接为量子计算、通信以及更多领域带来了令人兴奋的可能性。因此这不仅是科学，更是未来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396377.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396377.htm

量子互联网的重要里程碑： 新实验实现在技术之间"翻译"量子信息

量子互联网的重要里程碑：新实验实现在技术之间"翻译"量子信息这代表了一种将量子信息从量子计算机使用的格式转化为量子通信所需格式的创新方法。一个铌超导空腔。孔洞通向隧道，隧道相交以捕获光和原子。光子--光的粒子--对量子信息技术至关重要，但不同的技术以不同的频率使用它们。例如，一些最常见的量子计算技术是基于超导量子比特，如科技巨头Google和IBM使用的那些；这些量子比特将量子信息存储在以微波频率移动的光子中。但是，如果你想建立一个量子网络，或连接量子计算机，你就不能四处发送微波光子，因为它们对量子信息的控制力太弱，无法在旅途中生存。"我们用于经典通信的很多技术--手机、Wi-Fi、GPS以及诸如此类的东西--都使用微波频率的光，"芝加哥大学詹姆斯-弗兰克研究所的博士后、该论文的第一作者AishwaryaKumar说。"但你不能这样做量子通信，因为你需要的量子信息是在一个单一的光子中。而在微波频率下，这种信息会被埋没在热噪声中。"铷的电子能级示意图。其中两个能级间隙分别与光学光子和微波光子的频率相符。激光被用来迫使电子跳到更高的层次或降到更低的层次。解决方案是将量子信息转移到更高频率的光子上，称为光学光子，它对环境噪声的抵抗力要强得多。但信息不能直接从光子转移到光子；相反，我们需要中间物质。一些实验为此目的设计了固态设备，但库马尔的实验瞄准了更基本的东西：原子。原子中的电子只允许拥有某些特定的能量，称为能级。如果一个电子处于一个较低的能级，它可以被激发到一个较高的能级，方法是用一个能量正好与较高和较低能级之间的差异相匹配的光子击中它。同样地，当一个电子被迫降到一个较低的能级时，原子就会发射出一个能量与能级之间的能量差相匹配的光子。铷原子恰好有两个空隙，库马尔的技术利用了这两个空隙：一个正好等于微波光子的能量，另一个正好等于光子的能量。通过使用激光使原子的电子能量上下移动，该技术允许原子吸收带有量子信息的微波光子，然后发射带有该量子信息的光学光子。这种不同模式的量子信息之间的转换被称为"转导"。有效地将原子用于这一目的是由于科学家们在操纵这种小物体方面取得的重大进展而成为可能。库马尔说："在过去的20或30年里，我们作为一个群体已经建立了卓越的技术，使我们能够控制关于原子的一切，所以实验是非常可控和有效的。"他说，他们成功的另一个秘密是该领域在腔体量子电动力学方面的进展，在那里，一个光子被困于一个超导反射室。迫使光子在一个封闭的空间里反弹，超导腔加强了光子和放在里面的任何物质之间的相互作用。他们的腔体看起来不是很封闭，事实上，它更像一块瑞士奶酪。但看起来像洞的地方实际上是以非常特殊的几何形状相交的隧道，因此光子或原子可以被困在一个交叉点上。这是一个聪明的设计，也允许研究人员进入腔室，以便他们能够注入原子和光子。该技术可以双向工作：它可以将量子信息从微波光子转移到光学光子，反之亦然。因此，它可以在两个超导量子计算机之间的长距离连接的任何一侧，并作为量子互联网的基本构件。但库马尔认为，这项技术的应用可能比量子网络多得多。它的核心能力是强纠缠原子和光子--这是整个领域中许多不同的量子技术中必不可少的，也是困难的任务。他说："我们真正感到兴奋的事情之一是这个平台能够产生真正有效的纠缠，纠缠是我们关心的几乎所有量子的核心，从计算到模拟到计量学和原子钟。我很高兴看到我们还能做什么。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352151.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352151.htm

打破量子极限：从爱因斯坦与玻尔之争到实现"遥不可及"的效率

打破量子极限：从爱因斯坦与玻尔之争到实现"遥不可及"的效率在巴尔兹研究小组使用两级干涉仪进行的实验中，辅助光子被用来为所有四种贝尔态生成不同的测量模式，从而将效率提高到传统的50%以上。图片来源：JonHeras，剑桥插图画家量子科学不仅彻底改变了我们对自然界的认识，还激发了突破性的新型计算、通信和传感器设备。要在这些"量子技术"中利用量子效应，通常需要将对基本量子物理原理的深刻理解、系统的方法论进步和巧妙的工程设计结合起来。斯图加特大学StefanieBarz教授的研究小组和量子科学与技术集成中心（IQST）的研究人员在最近的研究中正是实现了这种结合，他们提高了许多量子设备的一个重要组成部分的效率，使其超越了看似固有的极限。历史基础：从哲学到技术量子技术领域的主角之一是一种被称为量子纠缠的特性。这一概念发展的第一步涉及阿尔伯特-爱因斯坦和尼尔斯-玻尔之间的激烈辩论。简而言之，他们争论的焦点是如何在多个量子系统之间共享信息。重要的是，这种共享方式在经典物理学中并不存在。直到20世纪60年代，物理学家约翰-斯图尔特-贝尔（JohnStewartBell）设计出了一种通过实验解决分歧的方法。贝尔的框架首先是在光子（光量子）实验中探索出来的。这一领域的三位先驱--阿兰-阿斯佩特（AlainAspect）、约翰-克劳瑟（JohnClauser）和安东-蔡林格（AntonZeilinger）因其在量子技术方面的开创性工作而共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。贝尔本人于1990年去世，但他的名字却在所谓的贝尔态中永垂不朽。贝尔态描述了两个粒子尽可能强烈纠缠的量子态。贝尔态一共有四种，而贝尔态测量--确定量子系统处于四种状态中的哪一种--是将量子纠缠应用于实际的重要工具。也许最有名的是，贝尔态测量是量子远距传输的核心组成部分，而量子远距传输又使大多数量子通信和量子计算成为可能。实验装置完全由所谓的线性元件组成，如反射镜、分光镜和波板，这确保了可扩展性。图片来源：LaRici摄影但这存在一个问题：当使用传统光学元件（如镜子、分光镜和波板）进行实验时，四个贝尔态中的两个态具有相同的实验特征，因此无法相互区分。这就意味着，如果只使用这种"线性"光学元件，整体的成功概率（也就是量子传送实验的成功率）将被限制在50%。或者真的是这样吗？超越限制的飞跃：这就是巴尔兹小组的工作所在。正如他们最近在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上报告的那样，博士研究员马蒂亚斯-巴耶巴赫（MatthiasBayerbach）和西蒙娜-达奥雷利奥（SimoneD'Aurelio）进行了钟态测量，成功率达到了57.9%。但是，他们是如何达到现有工具无法达到的效率的呢？他们之所以能取得如此杰出的成果，是因为在纠缠光子对的同时使用了另外两个光子。人们在理论上已经知道，这种"辅助"光子为进行贝尔态测量提供了一种方法，其效率超过50%。然而，实验上的实现仍然遥不可及。原因之一是需要精密的探测器来分辨撞击它们的光子数量。拜尔巴赫和达奥雷利奥通过使用48个单光子探测器，以近乎完美的同步方式探测到达探测器阵列的多达四个光子的精确状态，从而克服了这一挑战。有了这种能力，研究小组就能检测到每个贝尔态的不同光子数分布，尽管原本无法区分的两种态会有一些重叠，这就是为什么即使在理论上，效率也不会超过62.5%。但是，50%的障碍已经被打破。此外，成功的概率原则上可以任意接近100%，但代价是必须添加更多的辅助光子。光明的未来前景此外，再复杂的实验也有不完美之处，在分析数据和预测该技术如何用于更大的系统时，必须考虑到这一现实。因此，斯图加特的研究人员与美因茨约翰内斯-古腾堡大学的理论家、辅助贝尔态测量方案的设计者之一彼得-范-卢克（PetervanLoock）教授博士合作。VanLoock和Barz都是BMBF资助的PhotonQ合作项目的成员，该合作项目汇集了全德国的学术和工业合作伙伴，致力于实现一种特定类型的光子量子计算机。改进的贝尔态测量方案是这一合作的首批成果之一。虽然效率从50%提高到57.9%看起来并不高，但在需要进行大量连续测量的情况下，例如在远距离量子通信中，它却具有巨大的优势。要实现这种升级，线性光学平台的仪器复杂度必须低于其他方法。在斯图加特和巴登-符腾堡州当地量子社区的长期研究合作项目IQST和最近成立的网络QuantumBW等倡议的保护伞下，我们正广泛探索如何在实践中充分利用量子纠缠的机会。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392967.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392967.htm

超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃

超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃超导机电系统的扫描电子显微镜图像。资料来源：AmirYoussefi（EPFL）过去十年来，科学家们在机械系统中产生量子现象方面取得了巨大进步。十五年前看似不可能的事情如今已成为现实，因为研究人员成功地在宏观机械物体中产生了量子态。通过将这些机械振荡器与光子（被称为"光机械系统"）耦合，科学家们已经能够将它们冷却到接近量子极限的最低能级。他们还设法"挤压"它们，进一步降低它们的振动，并使它们相互缠结。这些进步为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至暗物质的寻找带来了新的机遇。操作光机械系统的困境为了在量子体系中有效地运行光机械系统，科学家们面临着两难选择。一方面，机械振荡器必须与环境适当隔离，以尽量减少能量损耗；另一方面，它们必须与其他物理系统（如电磁谐振器）良好耦合，以便对其进行控制。要实现这一平衡，就必须最大限度地延长振荡器的量子态寿命，而这一寿命会受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响，即该领域所称的"退相干"。从引力波探测器中使用的巨型反射镜到高真空中的微小被困粒子，这在各种系统中都是一个长期存在的挑战。与超导量子比特或离子阱等其他技术相比，当今的光机电系统仍然显示出较高的退相干率。EPFL的突破：超低量子退相干现在，洛桑联邦理工学院托比亚斯-基彭伯格实验室的科学家们通过开发一种超导电路光机电平台解决了这一问题，该平台在保持大的光机电耦合的同时显示出超低量子退相干，从而实现了高保真量子控制。这项研究成果于8月10日发表在《自然-物理》杂志上。领导该项目的博士生阿米尔-尤塞菲（AmirYoussefi）说："简单地说，我们展示了有史以来在机械振荡器中实现的最长量子态寿命，它可用作量子计算和通信系统中的量子存储元件。这是一项重大成就，影响着量子物理学、电子工程和机械工程领域的众多受众。"关键要素：真空间隙鼓头电容器这项突破的关键要素是"真空间隙鼓头电容器"，这是一种由悬浮在硅基板沟槽上的铝薄膜制成的振动元件。该电容器是振荡器的振动元件，同时也构成了一个谐振微波电路。通过一种新颖的纳米制造技术，研究小组大大降低了鼓头谐振器的机械损耗，实现了前所未有的热退相干速率，仅为20赫兹，相当于7.7毫秒的量子态寿命--这是机械振荡器中实现的最长寿命。结果和意义热诱导退相干的显著降低使研究人员能够使用光机械冷却技术，从而使量子态在基态占据的保真度达到令人印象深刻的93%。此外，研究小组还实现了低于运动零点波动的机械挤压，其值为-2.7dB。"这种控制水平使我们能够观察到机械挤压态的自由演化，并在2毫秒的较长时间内保持其量子行为，这要归功于机械振荡器中仅为0.09Hz的超低纯去相率，"参与研究的ShingoKono说。"这种超低量子退相干不仅提高了宏观机械系统量子控制和测量的保真度，而且同样有利于与超导量子比特的对接，并将系统置于适合量子引力测试的参数体系中，"研究团队的另一位成员马赫迪-切格尼扎德（MahdiChegnizadeh）说，"与超导量子比特相比，该平台的存储时间要长得多，因此是量子存储应用的理想候选者。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376919.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376919.htm

MPQ团队利用单个铷原子产生了数量破纪录的量子纠缠光子簇

MPQ团队利用单个铷原子产生了数量破纪录的量子纠缠光子簇在2022年8月24日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，来自马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的一支团队，详细介绍了一种高效驱动光量子纠缠的新方法。虽然听起来有些违反直觉，但数十年来的量子实验已经充分证明——无论相距多远，改变其中一个结对粒子的状态、就会同步改变另一粒子的状态。一个铷原子被困在一个由两个高反射镜组成的光学谐振器中（渲染图，来自：MPQ）受量子纠缠现象的启发，近年来已有大量团队投入新兴商业技术的开发。真空状态下的光学谐振器，单个铷原子被困于支架内的锥形镜之间。以量子计算器为例，其中纠缠的例子，就可用于存储和存储信息的量子比特。研究配图1-实验设置/协议概述为实现最佳效果，量子计算机需要用到能够产生大量粒子、并将之纠缠到一起的装置，但这显然并非易事。研究配图2-GHz状态好消息是，MPQ研究人员找到了一种更可靠的量子纠缠方法，并成功地将14个光子纠缠到了一起——这也是迄今为止规模最喜人的“光子簇”。研究配图3-集簇状态具体说来是，研究团队从单独的铷原子开始上手，将它困在一个以特定模式反射电磁波的光学腔中。当被特定频率的激光击中时，原子就被赋予了准备就绪的给定特定。研究配图4-测得N光子重合率接着研究人员向它发射另一调制脉冲，以使原子发射一个与它纠缠的光子。通过重复该过程，原子便可在每个光子发射之间旋转，直到产生一整条相互纠缠的“光子链”。扩展数据图1-详细的实验序列更棒的是，该过程较现有技术的效率更加出众——产生光子的时间占比超过43%，近乎每两次光脉冲就能产生一个光子。扩展数据图2-奇偶性振荡尽管对于长期关注量子纪录的朋友们来说，14个纠缠量子可能听起来不算多——毕竟此前科学家已设法通过气体实验、实现了数万亿个原子的纠缠——但此类系统并不适用于量子计算机或量子通信。扩展数据图3-发射器的相干特性相比之下，通过常规技术手段产生的光子，其量子应用也要简单得多。更何况这项新技术颇具效率优势，意味着后续能够轻松扩展光子的产量。下一步，MPQ团队计划开展至少利用两个原子的新实验。扩展数据图4-vSTIRAP过程引发的失真最后，有关这项研究的详情，已发表于近日出版的《Nature》期刊上，原标题为《Efficientgenerationofentangledmultiphotongraphstatesfromasingleatom》。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309989.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309989.htm