物理学家创建并控制基于光子的大型量子力学系统

耶鲁大学的一项新研究表明，科学家可以创建和控制基于光子的大型量子力学系统，这表明他们可能能够扩大光子在量子信息系统中的作用。

耶鲁大学科学家的最新研究表明，光可能在量子计算的未来中扮演更大，更通用的角色。

一支耶鲁大学的物理学家团队哄骗了前所未有数量的光粒子或光子，以机械地表现量子态，或同时采取多个状态，例如“活着”和“死亡”。在这种情况下，光是被捕获的微波光子的形式。控制更多数量的光子（在这种情况下为100个以上）会增加这种光的状态可能充当几个量子位（qubit）的一部分的可能性，而量子位通常是在量子计算机中找到的构造块。这可能会最大程度地减少建造一个建筑物的物理规模和成本。

量子计算机仍然是一种新兴的技术，它将成为一种超快的工具，其信息处理速度将比当今最先进的计算机快得多。

“科学家一直在努力克服创建，控制和测量大型量子机械系统的巨大工程挑战，”耶鲁大学研究生，9月27日发表在《科学》杂志上的论文的主要作者布莱恩·瓦拉塔基斯（Brian Vlastakis）说。“应对这些挑战对于开发量子计算机是必不可少的。该实验表明，我们可以创建和控制基于光子的大型量子力学系统。这也表明我们也许能够扩大光子在量子信息系统中的作用。”

耶鲁大学实验中产生的光子状态模仿了比喻性的“薛定'的猫”，它描述了一种反常理的观念，即我们每天​​遇到的物体也应该表现出量子力学的奇怪行为-一种可以同时活着和死掉的家猫，例如。

在当前的量子计算模型中，科学家通常描述由许多人造量子成分（称为量子位）构建的系统。光子是在量子位之间传输信息的好工具，但是由于难以控制光子，因此它们作为量子位的能力受到限制。由应用物理学斯特林教授和物理学家罗伯特·斯科尔科普夫（Robert Schoelkopf）领导的这项新研究表明，借助于一个孤量子位可以控制大量光子。这表明光子的集合可能很快会扮演许多量子比特的角色的可能性，从而有可能最小化量子计算设备的成本和规模。

研究人员说，由于仍然难以实现具有多个量子位的系统，因此，所需零件数量上的任何节省都可能是可观的。

Schoelkopf说：“仅仅在几年前，要在如此大型的系统上实现这种控制水平似乎还不可行。”“有了这些结果，我们开始考虑实现未来量子计算机所需功能的新方法。”

Schoelkopf，Vlastakis及其团队使用超导材料将微波光子存储在低温下工作的谐振腔内，然后使用单个制造的量子位和计算机控制的电子脉冲对其进行控制。他们用超过100个光子产生量子态，比其他实验中产生的10或20个量子态显着增加。

该论文的标题为“使用100光子Schroedinger猫态确定性地编码量子信息”。

合著者是Gerhard Kirchmair，Zaki Leghtas，Simon E.Nigg，Luigi Frunzio，S.M。加尔文（Girvin），玛莎（Mazarar Mirrahimi）和M.H.德沃雷特。

国家科学基金会，情报高级研究计划活动和陆军研究办公室为研究提供了支持。

出版物：Brian Vlastakis，“使用100光子Schrödinger猫态确定性地编码量子信息”，《科学》，2013年； DOI：10.1126 / science.1243289

图像：Shutterstock的量子计算概念