中美论文同时登上《自然》 量子通信科研有何新突破

中美论文同时登上《自然》量子通信科研有何新突破最近，中国科技大学、哈佛大学的量子通信论文在同一期《自然》杂志发表，引发业内和社会关注。依托中国科大组建的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、包小辉、张强等科研人员构建了全球首个基于量子纠缠的城域三节点量子网络；哈佛大学米哈伊尔・卢金团队利用波士顿地区的电信光纤，首次在金刚石SiV（硅空位）色心体系中实现了双节点远距离量子纠缠，光纤距离达到35公里左右。最近发表于《自然》的中国科大成果，是研究团队利用冷原子系综，首次通过单光子干涉在独立存储节点间建立量子纠缠，并在此基础上构建了全球首个基于纠缠的城域多节点量子网络，将量子纠缠网络实验的距离由几十米延长到几十公里。纠缠效率是量子纠缠网络实验的重要指标，与哈佛大学团队在《自然》上发表的成果相比，中国科大成果的纠缠效率高两个数量级以上，优势明显。（解放日报）

2022诺贝尔物理学奖解读

2022诺贝尔物理学奖解读2022年诺贝尓物理学奖发的众望所归，颁奖词清晰表述了是为了表彰阿兰·阿斯佩（AlanAspect)、约翰·弗朗西斯·克劳泽（JohnF.Clauser）、安东·塞林格（AntonZeilinger），在纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学方面的贡献。他们验证了人类迄今为止发现的最奇怪现象：量子纠缠。并且，他们的研究让我们可以利用这种现象，来实现量子计算、量子通信，甚至是为星际传送这种科幻内容，提供了理论可能。本期视频，就给大家讲清楚2022年的诺贝尔物理学奖。评：从开头的大家“大家好”之后，基本就听不懂了...来自：雷锋频道：@kejiqu群组：@kejiquchat投稿：@kejiqubot

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

新研发的超导纳米线光子检测器可实现高速量子通信

新研发的超导纳米线光子检测器可实现高速量子通信在Optica出版集团的高影响力研究杂志《Optica》上，由美国宇航局喷气推进实验室的MatthewD.Shaw领导的研究人员描述并展示了他们用于测量光子到达时间的新探测器，他们称之为PEACOQ（用于计算光量子的性能增强阵列）探测器。"我们的新探测器是由硅芯片上的32个氮化铌超导纳米线组成的，它可以实现高精度的高计数率，"研究小组成员、博士后学者IoanaCraiciu说。"该探测器的设计考虑到了量子通信，因为这是一个一直受限于现有探测器性能的技术领域。"研究小组负责人MatthewShaw检查了安装在低温箱内的PEACOQ探测器，以便进行测试该探测器是作为美国宇航局项目的一部分而开发的，该项目旨在实现空间到地面的量子通信新技术，从而在未来实现跨洲际距离的量子信息共享。这项工作建立在为美国宇航局深空光通信项目开发的技术基础上，该项目将首次展示来自行星际空间的自由空间光通信。Craiciu说："目前还没有另一个探测器能够以同样的时间分辨率如此快速地计算单光子。我们知道这个探测器将对量子通信有用，但我们也希望它能实现我们尚未考虑的其他应用。"更快的量子通信加快量子通信传输速率需要在接收端有一个探测器，它可以进行快速测量，并表现出较短的死机时间，这样它就可以与到达的高速率光子抗衡。探测器还必须精确测量光子的到达时间。Craiciu说："尽管有一些探测器可以高精度地测量光子的到达时间，但当光子快速连续到达时，它们很难跟上，可能会错过一些光子，或者把它们的到达时间弄错，我们设计的PEACOQ探测器可以精确测量单个光子的到达时间，即使它们正以很高的速度撞击探测器。它也是高效的，它不会错过许多光子。"PEACOQ探测器是由厚度仅为7.5纳米的纳米线制成的，或比人的头发薄约1万倍。在非常冷的温度下操作它--大约1开尔文，或-458°F--使纳米线变得超导，这意味着它们没有电阻。在超导条件下，任何击中一根导线的光子都有很大机会被该导线吸收。任何被吸收的光子都会产生一个热点，以一种可检测的方式增加电线的电阻。一台计算机和一个时数转换器被用来记录电阻变化的时间，从而记录一个光子到达探测器的时间。当探测器测量一个光子时，它输出一个电脉冲，而时间-数字转换器非常精确地测量这个电脉冲的到达时间，其分辨率低于100皮秒，或比弹指一挥间快7000万倍。新开发的一种新的时间-数字转换器可以用这种时间分辨率同时测量多达128个通道，这很重要，因为探测器需要32个通道。为了展示新的探测器，研究人员通过将其安装在一个低温箱中将其冷却到1开尔文。他们使用了一个定制的测试装置，将光送入低温箱到检测器，并使用一连串的电子装置将检测器的输出信号从低温箱中传输出来，将其放大并记录。由于有32根纳米线，研究人员不得不使用32套每个组件，包括32根电缆和32个每种类型的放大器。前所未有的计数能力"我们对检测器的工作情况非常满意，"Craiciu说。"它能够测量光子的速率是我们所见过的最高的。它需要一个复杂的设置，因为32个纳米线中的每一个都要单独读出，但对于你真正需要以高速度和高精度测量光子的应用来说，它是值得麻烦的。"通常情况下，正在传输的量子信息被设置为一个时钟，每条信息被编码为一个光子，并在一个刻度上发送。能多精确地测量光子到达接收器的时间，决定了抵达距离能有多近而不出错，因此它决定了能多快地发送信息。新的检测器使得以最先进的10GHz的时钟频率进行量子通信变得切实可行。研究人员仍在努力对PEACOQ探测器进行改进，目前该探测器的效率约为80%--这意味着有20%的光子撞上探测器后没有被测量。他们还计划建造一个可用于量子通信实验的便携式接收器装置。它将包含几个PEACOQ探测器以及光学器件、读出电子器件和一个低温恒温器。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341119.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341119.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

研究人员发明测量高维量子比特的有效方法

研究人员发明测量高维量子比特的有效方法传统的计算机比特将数据分类为1或0，与之相反，量子比特可以持有1、0或两者的值。这是由于叠加的原因，这种现象使几个量子状态同时存在。量子比特的"d"指的是可能被编码在一个光子上的各种级别或数值。传统的量子比特只有两个层次，但通过增加更多层次，它们就变成了量子比特。左起：Hsuan-HaoLu和JosephLukens在ORNL量子实验室工作。资料来源：GenevieveMartin/ORNL，美国能源部。来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、普渡大学和美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员最近完成了一对纠缠的八级量子比特的特征分析，它们形成了一个64维的量子空间，使以前的离散频率模式记录翻了四倍。他们的发现最近发表在《自然通讯》杂志上。"我们一直都知道有可能利用光子的颜色或光频率来编码10级或20级的量子，甚至更高，但问题是测量这些粒子非常困难，"ORNL的博士后研究助理Hsuan-HaoLu说。"这就是这篇论文的价值--我们发现了一种高效和新颖的技术，在实验方面相对容易做到。"当qudits被纠缠时甚至更难测量，这意味着无论它们之间的物理距离如何，它们都共享非经典的相关性。尽管有这些挑战，频率槽对，也就是两个在频率上纠缠在一起的光子形式的量子很适合携带量子信息，因为它们可以按照规定的路径通过光纤而不被其环境明显改变。"我们将最先进的频率槽对生产与最先进的光源结合起来，然后用我们的技术来描述高维量子纠缠，其精确程度是以前没有显示过的，"Wigner研究员和ORNL的研究科学家JosephLukens说。研究人员开始了他们的实验，将激光照射到一个微环谐振器上--这是一个由EPFL制造的圆形片上设备，旨在产生非经典光。这个强大的光子源占据了1平方毫米的空间--大小与一支削尖的铅笔的笔尖相当--并允许研究小组以量子频率梳的形式产生频率槽对。通常情况下，qudit实验需要研究人员构建一种称为量子门的量子电路。但在这种情况下，研究小组使用一个电光相位调制器来混合不同频率的光，并使用一个脉冲整形器来修改这些频率的相位。这些技术在普渡大学AndrewWeiner领导的超快光学和光纤通信实验室得到了广泛的研究，Lu在加入ORNL之前曾在那里学习。这些光学设备在电信行业很常见，研究人员随机进行这些操作，以捕捉许多不同的频率相关性。据Lu说，这个过程就像掷出一对六面骰子，并记录每个数字组合出现的次数--但现在骰子是相互纠缠在一起的。"这种涉及相位调制器和脉冲整形器的技术，在超快和宽带光子信号处理的经典背景下被大量追求，并被扩展到频率量子化的大道上，"Weiner说。为了向后推断哪些量子态产生的频率相关性是量子比特应用的理想选择，研究人员在一种叫做贝叶斯推理的统计方法的基础上开发了一个数据分析工具，并在ORNL进行计算机模拟。这项成就建立在该团队以前的工作基础上，重点是进行贝叶斯分析和重建量子状态。研究人员现在正在对他们的测量方法进行微调，为一系列的实验做准备。通过通过光纤发送信号，他们旨在测试量子通信协议，如远程传输，这是一种传输量子信息的方法，以及纠缠互换，这是纠缠两个先前不相关的粒子的过程。普渡大学的研究生KarthikMyilswamy计划将微环谐振器带到ORNL，这将使该团队能够在该实验室的量子局域网上测试这些能力。Myilswamy说："现在我们有一种方法可以有效地描述纠缠的频率量子，我们可以进行其他面向应用的实验。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333675.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333675.htm