澳大利亞科學(xué)家首次使用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有趣物理概念證明了成對(duì)光子之間相關(guān)狀態(tài)的保護(hù) - 光能包。這一實(shí)驗(yàn)性突破開辟了構(gòu)建新型量子比特的途徑，量子比特是量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建模塊。

這項(xiàng)與以色列同事密切合作開展的研究今天發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上，這是對(duì)這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)重要性的認(rèn)可。

“我們現(xiàn)在可以提出一條通過使用受保護(hù)的光子對(duì)構(gòu)建邏輯門強(qiáng)大糾纏態(tài)的途徑，”主要作者，悉尼大學(xué)納米研究所的Andrea Blanco-Redondo博士說。

邏輯門是操作為量子計(jì)算機(jī)編寫的算法所需的開關(guān)。經(jīng)典計(jì)算開關(guān)是零或一的簡(jiǎn)單二進(jìn)制形式。量子開關(guān)以“疊加”狀態(tài)存在，它將0和1組合在一起。

長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)量子信息以使量子機(jī)器能夠執(zhí)行有用的計(jì)算是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的挑戰(zhàn)之一。有用的量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)百或數(shù)十億的量子比特來處理信息。到目前為止，最好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有大約20個(gè)量子比特。

為了釋放量子技術(shù)的潛力，科學(xué)家們需要找到一種方法來保護(hù)納米尺度上量子比特(或量子比特)的糾纏疊加。使用超導(dǎo)體和捕獲離子實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的嘗試已經(jīng)顯示出前景，但它們極易受到電磁干擾，使得它們難以擴(kuò)展到有用的機(jī)器中。

使用光子 - 光能包而不是電子一直是提出的替代方案，可以構(gòu)建可以計(jì)算量子算法的邏輯門。

與電子不同，光子與熱和電磁環(huán)境隔離良好。然而，由于散射損失和其他誤差，基于光子量子位的縮放量子器件受到限制; 到現(xiàn)在。

“我們所做的是開發(fā)一種新的硅納米線晶格結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造一種特殊的對(duì)稱性，為光子的相關(guān)性提供不尋常的穩(wěn)健性。對(duì)稱性有助于創(chuàng)造和引導(dǎo)這些相關(guān)狀態(tài)，稱為”邊緣模式“，”博士說。 Blanco-Redondo，物理學(xué)院Messel研究員。

“這種穩(wěn)健性源于潛在的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，晶格的全局屬性對(duì)于無序而言保持不變。”

需要產(chǎn)生的相關(guān)性來構(gòu)建量子門的糾纏態(tài)。

使用僅500納米寬的硅納米線制成的通道或波導(dǎo)成對(duì)排列，中間有一個(gè)故意的對(duì)稱缺陷，形成兩個(gè)具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和中間“邊緣”的晶格結(jié)構(gòu)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許創(chuàng)建光子可以配對(duì)的特殊模式 - 稱為“邊緣模式”。這些模式允許成對(duì)光子攜帶的信息以穩(wěn)健的方式傳輸，否則這些信息將在均勻晶格上散射和丟失。

Blanco-Redondo博士在悉尼納米科學(xué)中心與Bryn Bell博士一起設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，此前他曾在悉尼大學(xué)和現(xiàn)在的牛津大學(xué)。

光子是由高強(qiáng)度，超短激光脈沖產(chǎn)生的，同樣的基礎(chǔ)技術(shù)Donna Strickland和Gerard Mourou被授予2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這項(xiàng)研究是過去十年中關(guān)于物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)的發(fā)現(xiàn)蓬勃發(fā)展的最新研究。這些拓?fù)涮卣鳛楦鞣N領(lǐng)域的經(jīng)典和量子信息提供保護(hù)，如電磁學(xué)，凝聚態(tài)物質(zhì)，聲學(xué)和冷原子。

微軟量子實(shí)驗(yàn)室，包括悉尼的微量實(shí)驗(yàn)室，正在尋求開發(fā)基于電子的量子比特，其中量子信息通過稱為馬約拉納費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子的結(jié)構(gòu)得到拓?fù)浔Ｗo(hù)。這有點(diǎn)像編織通過超導(dǎo)體和半導(dǎo)體金屬的相互作用誘導(dǎo)的半電子態(tài)。

先前已經(jīng)證明了拓?fù)浔Ｗo(hù)狀態(tài)的單光子。

然而，Blanco-Redondo博士說：“量子信息系統(tǒng)將依賴多光子狀態(tài)，強(qiáng)調(diào)這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展的重要性。”

她說，下一步將是改善對(duì)光子糾纏的保護(hù)，以創(chuàng)建穩(wěn)健，可擴(kuò)展的量子邏輯門。

悉尼納米的理論量子物理學(xué)家斯蒂芬巴特利特教授表示：“布蘭科 - 雷東多博士的結(jié)果令人興奮，因?yàn)樗@示了拓?fù)溆行虿牧线吔绺綆У谋Ｗo(hù)模式的存在。

“量子計(jì)算的意義尚不清楚，因?yàn)樗蕴幱谠缙陔A段。但希望這些邊緣模式提供的保護(hù)可用于保護(hù)光子免受量子應(yīng)用中存在問題的噪聲類型的影響。”