光子在1.2英里外為電子“捎信兒”，破解了量子物理學難題 有助量子計算機研發(fā)

據(jù)美國斯坦福大學官方網(wǎng)站報道，近日該校物理學家余利奧和他的科研團隊讓相隔1.2英里的光子和自旋的電子發(fā)生了關聯(lián)。這項研究解決了量子物理學領域老大難問題——如何遠距離傳輸“糾纏”的粒子。

量子糾纏是兩個或更多粒子在不同的空間即使相距幾千里也互相關聯(lián)的現(xiàn)象。以糾纏的電子為例，電子自旋的方向有兩種，如果兩個電子發(fā)生了糾纏，它們的自旋方向也會發(fā)生聯(lián)系。愛因斯坦曾把這種現(xiàn)象稱為“幽靈般的行為”。

電子被困在原子之中，所以糾纏的電子無法通過長距離直接發(fā)生“對話”，不過光子卻可以。因此，科學家可以先讓光子和電子發(fā)生所謂的“量子關聯(lián)”，這樣光子就可充當信使的作用，傳達電子的自旋信息。

為實現(xiàn)這一目的，余利奧團隊需要保證光子和電子在長距離傳輸中一直保持關聯(lián)，這是個很關鍵的挑戰(zhàn)，因為光子在光纖電纜中傳輸時有改變方向的傾向。光子可有兩種方向——垂直或水平，不過如果光子的方向在途中發(fā)生改變，它與電子的關聯(lián)就消失了。余利奧設計了一種時間戳來將光子的到達時間與電子自旋發(fā)生關聯(lián)，這可以為每個光子提供參考信息來確認它與哪個電子相互關聯(lián)。

為最終讓兩個從未謀面的電子在遠距離發(fā)生糾纏，科研人員需要將分別與不同的電子發(fā)生關聯(lián)的光子通過光纖發(fā)送出去，讓它們在中間的分束器中匯合并互動，這就需要讓光子發(fā)生雙光子干涉。但是來源不同的光子會有不同的顏色或波長等，而波長不同的光子無法互相干涉。為克服這個困難，科研人員在光子傳輸前，讓其通過量子降頻變換器使波長達到一致，最終成功地讓光子為相距1.2英里的電子捎上了信兒。

“這項工作可為未來在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)高度安全傳輸?shù)牧孔油ㄐ啪W(wǎng)絡做鋪墊。”余利奧補充道，與傳統(tǒng)計算機相比，量子超級計算機的速度將實現(xiàn)指數(shù)級的飛躍，而他們的研究也讓量子計算機離現(xiàn)實更近了一步。

電子的自旋特性讓它成為了能裝載復雜信息的貨箱，但要把自旋電子器件應用于量子計算機，還需要一位運貨的“車夫”?，F(xiàn)在科學家讓光子很好地擔起了這個責任。接近兩公里之外的關聯(lián)，不但向人們展示了量子現(xiàn)象與傳統(tǒng)經(jīng)驗之間的差異有多大，也為開啟超快量子計算、超安全量子密碼等下一代未來技術提供了鑰匙。

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