基于量子物理學(xué)定律而發(fā)展出的信息處理技術(shù)，然而這些技術(shù)都依賴于量子信息，信息通常被編碼在單光子中，它們?cè)陂L(zhǎng)距離傳輸量子信息以及精確處理量子信息方面具有獨(dú)特的能力。

首個(gè)雙芯片之間的量子糾纏

最近，來(lái)自英國(guó)布里斯托大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們，首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)計(jì)算機(jī)芯片之間的量子隱形傳態(tài)。

也就是說(shuō)，在不需要任何物理和電子連接的情況下，信息能夠從一個(gè)芯片即時(shí)傳送到另一個(gè)芯片。這一壯舉可謂是為量子計(jì)算機(jī)和量子互聯(lián)網(wǎng)打開(kāi)了大門。

布里斯托爾大學(xué)的科學(xué)家們與丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）合作，成功地開(kāi)發(fā)出了芯片級(jí)別的設(shè)備，這些設(shè)備能夠通過(guò)在可編程的納米級(jí)電路中產(chǎn)生和操縱光的單個(gè)粒子來(lái)駕馭量子物理的應(yīng)用。

這些芯片能夠在電路內(nèi)部產(chǎn)生的光中對(duì)量子信息進(jìn)行編碼，能夠高效、低噪聲地處理“量子信息”。這個(gè)演示可以顯著提高制造更復(fù)雜的量子電路的能力，而這些電路是量子計(jì)算和通信所需要的。

在一項(xiàng)突破性的實(shí)驗(yàn)中，布里斯托爾大學(xué)量子工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（QET實(shí)驗(yàn)室）的研究人員首次演示了兩個(gè)可編程芯片之間的信息量子隱形傳態(tài)，他們認(rèn)為這是量子通信和量子計(jì)算的基石。

他們能夠在實(shí)驗(yàn)室中證明兩個(gè)芯片之間存在高質(zhì)量的糾纏關(guān)系，其中兩個(gè)芯片上的光子共享一個(gè)量子態(tài)。

利用量子糾纏進(jìn)行通信的能力

這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)量子光子互連，使用了最先進(jìn)的硅光子學(xué)技術(shù)，展示了高保真糾纏分布和兩個(gè)獨(dú)立的光子芯片之間的操作。該研究描述了芯片間量子隱形傳態(tài)和真正的多光子糾纏，它們是量子技術(shù)在硅光子電路上的核心功能。

在一組微諧振器源中產(chǎn)生了四個(gè)高純度和不可分辨性的單光子，不需要任何光譜濾波。隨著損耗的進(jìn)一步改善，這種量子光子互連將在量子系統(tǒng)和架構(gòu)中提供更高的靈活性。

在該實(shí)驗(yàn)中，英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員獲得了光粒子之間的通信，這種通信是通過(guò)位于分離的硅芯片上的糾纏連接的。

他們將攜帶量子信息的糾纏光子插入空間分離的硅芯片中。然后通過(guò)測(cè)量第一個(gè)芯片上的光子，可以從另一芯片上糾纏的光子的變化中得出第一個(gè)芯片的原始狀態(tài)。因此該信息被間接復(fù)制在兩個(gè)芯片之間。

目前這種量子中繼器仍是一種概念證明，但是如果可以改進(jìn)和擴(kuò)展該技術(shù)，則它可能代表未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)。

IQOQI研究所的項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人馬庫(kù)斯·胡貝爾和他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，對(duì)英國(guó)合作者在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的方法進(jìn)行了理論分析，認(rèn)為這種方法特別有前景，因?yàn)閺脑砩现v，它可以用已經(jīng)建立的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)量子隱形態(tài)，例如硅芯片和光纜。

該研究中多光子多量子比特態(tài)的產(chǎn)生、處理、收發(fā)和測(cè)量都是在微米級(jí)硅芯片上實(shí)現(xiàn)的，芯片由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝制造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種量子隱形傳態(tài)的保真度極高，達(dá)到了91％。

此外，研究人員還展示了其他一些重要功能，如糾纏交換和四光子GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）態(tài)，后者對(duì)量子中繼器、量子計(jì)算機(jī)和量子互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域十分重要。

量子糾纏和量子互連

在量子互聯(lián)網(wǎng)中，要長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)，就必須使用所謂的中繼器在不同節(jié)點(diǎn)之間定期刷新數(shù)據(jù)，就像在普通互聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)發(fā)生的那樣。

為此實(shí)驗(yàn)人員利用了量子糾纏現(xiàn)象，于是就可以使兩個(gè)粒子也可以長(zhǎng)距離保持相互連接，例如光粒子，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量可以確定另一個(gè)粒子的量子態(tài)，即使它們相距任意遠(yuǎn)。

集成光子學(xué)使量子技術(shù)有了很大的進(jìn)展。許多應(yīng)用，例如量子通信、傳感和分布式云量子計(jì)算，都需要在獨(dú)立的芯片系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)相干光子互連。

大規(guī)模的量子計(jì)算架構(gòu)和系統(tǒng)可能最終需要量子互連來(lái)實(shí)現(xiàn)超越單個(gè)晶圓片限制的擴(kuò)展，并向多芯片系統(tǒng)發(fā)展。集成光學(xué)為量子信息處理和收發(fā)提供了一個(gè)通用的平臺(tái)。

量子協(xié)議的實(shí)現(xiàn)要求能夠產(chǎn)生多個(gè)高質(zhì)量的單光子，并使用多個(gè)高保真操作器處理光子。

信息似乎打破了速度限制

這種隱形傳態(tài)是通過(guò)一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)。在這種現(xiàn)象中，兩個(gè)粒子糾纏在一起，這樣它們就可以遠(yuǎn)距離“交流”。

而無(wú)論兩個(gè)粒子之間的距離有多遠(yuǎn)，改變其中一個(gè)粒子的性質(zhì)，另一個(gè)粒子也會(huì)立即發(fā)生改變。因此，信息在它們之間發(fā)生了傳遞。

理論上，量子隱形傳態(tài)的運(yùn)行距離是無(wú)限的，這就引出了一些奇怪的推論，甚至連愛(ài)因斯坦自己都感到困惑。

目前對(duì)物理學(xué)的理解是，沒(méi)有什么東西能比光速更快。然而，隨著量子隱形傳態(tài)的出現(xiàn)，信息似乎打破了這個(gè)速度限制。此次的新研究，讓這一現(xiàn)象更加接近現(xiàn)實(shí)。

在量子物理學(xué)的世界中，信息是無(wú)法復(fù)制的，然而在經(jīng)典世界中卻是可能發(fā)生的。盡管如此，信息原則上可以通過(guò)稱為量子隱形傳態(tài)的現(xiàn)象從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。

難以控制和測(cè)量

這一技術(shù)的難點(diǎn)是，信息編碼在單個(gè)微粒對(duì)中，難以控制和測(cè)量。該研究團(tuán)隊(duì)很好地利用量子糾纏現(xiàn)象將不同芯片連接在一起，通過(guò)操控一個(gè)粒子激發(fā)粒子對(duì)中位于其他芯片中的另一個(gè)粒子發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)芯片中，信息在未連接狀態(tài)下的即時(shí)傳輸，更恰當(dāng)?shù)恼f(shuō)這是一種粒子感應(yīng)現(xiàn)象。

但更重要的是星際間的通訊，將來(lái)人類想往別的星球上搞科研或者移民，即便以光速通訊仍然有很長(zhǎng)的延時(shí)，但是量子糾纏效應(yīng)下的通訊卻可以即時(shí)傳輸，所以也可以說(shuō)的糾纏通信技術(shù)是將來(lái)星際間傳播的必備手段。

雖然這并不是邁向全面的量子計(jì)算的一步，但是，兩塊硅片利用量子糾纏進(jìn)行通信的能力是世界上第一個(gè)，也是量子計(jì)算和量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中必不可少的一步。

結(jié)尾：

量子光子器件和經(jīng)典電子控制的單硅芯片集成在不遠(yuǎn)的未來(lái)將打開(kāi)一扇大門，讓兼容CMOS技術(shù)的完全利用芯片的量子通信和信息處理網(wǎng)絡(luò)成為可能，這項(xiàng)研究為用于量子通信和計(jì)算的大規(guī)模集成量子光子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。