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

首個雙芯片之間的量子糾纏

最近，來自英國布里斯托大學和丹麥技術大學的科學家們，首次實現(xiàn)了兩個計算機芯片之間的量子隱形傳態(tài)。

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

布里斯托爾大學的科學家們與丹麥技術大學（DTU）合作，成功地開發(fā)出了芯片級別的設備，這些設備能夠通過在可編程的納米級電路中產(chǎn)生和操縱光的單個粒子來駕馭量子物理的應用。

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

在一項突破性的實驗中，布里斯托爾大學量子工程技術實驗室（QET實驗室）的研究人員首次演示了兩個可編程芯片之間的信息量子隱形傳態(tài)，他們認為這是量子通信和量子計算的基石。

他們能夠在實驗室中證明兩個芯片之間存在高質(zhì)量的糾纏關系，其中兩個芯片上的光子共享一個量子態(tài)。

利用量子糾纏進行通信的能力

這項研究實現(xiàn)了第一個量子光子互連，使用了最先進的硅光子學技術，展示了高保真糾纏分布和兩個獨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。隨著損耗的進一步改善，這種量子光子互連將在量子系統(tǒng)和架構中提供更高的靈活性。

在該實驗中，英國布里斯托大學的研究人員獲得了光粒子之間的通信，這種通信是通過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。然后通過測量第一個芯片上的光子，可以從另一芯片上糾纏的光子的變化中得出第一個芯片的原始狀態(tài)。因此該信息被間接復制在兩個芯片之間。

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

IQOQI研究所的項目組負責人馬庫斯·胡貝爾和他領導的團隊，對英國合作者在實驗中進行的方法進行了理論分析，認為這種方法特別有前景，因為從原理上講，它可以用已經(jīng)建立的材料來實現(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)和測量都是在微米級硅芯片上實現(xiàn)的，芯片由互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝制造。實驗結果表明，這種量子隱形傳態(tài)的保真度極高，達到了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)，后者對量子中繼器、量子計算機和量子互聯(lián)網(wǎng)等領域十分重要。

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。

為此實驗人員利用了量子糾纏現(xiàn)象，于是就可以使兩個粒子也可以長距離保持相互連接，例如光粒子，對其中一個粒子的測量可以確定另一個粒子的量子態(tài)，即使它們相距任意遠。

集成光子學使量子技術有了很大的進展。許多應用，例如量子通信、傳感和分布式云量子計算，都需要在獨立的芯片系統(tǒng)之間實現(xiàn)相干光子互連。

大規(guī)模的量子計算架構和系統(tǒng)可能最終需要量子互連來實現(xiàn)超越單個晶圓片限制的擴展，并向多芯片系統(tǒng)發(fā)展。集成光學為量子信息處理和收發(fā)提供了一個通用的平臺。

量子協(xié)議的實現(xiàn)要求能夠產(chǎn)生多個高質(zhì)量的單光子，并使用多個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)是通過一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象實現(xiàn)。在這種現(xiàn)象中，兩個粒子糾纏在一起，這樣它們就可以遠距離“交流”。

而無論兩個粒子之間的距離有多遠，改變其中一個粒子的性質(zhì)，另一個粒子也會立即發(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)的運行距離是無限的，這就引出了一些奇怪的推論，甚至連愛因斯坦自己都感到困惑。

目前對物理學的理解是，沒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速度限制。此次的新研究，讓這一現(xiàn)象更加接近現(xiàn)實。

在量子物理學的世界中，信息是無法復制的，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稱為量子隱形傳態(tài)的現(xiàn)象從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方。

難以控制和測量

這一技術的難點是，信息編碼在單個微粒對中，難以控制和測量。該研究團隊很好地利用量子糾纏現(xiàn)象將不同芯片連接在一起，通過操控一個粒子激發(fā)粒子對中位于其他芯片中的另一個粒子發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了兩個芯片中，信息在未連接狀態(tài)下的即時傳輸，更恰當?shù)恼f這是一種粒子感應現(xiàn)象。

但更重要的是星際間的通訊，將來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的延時，但是量子糾纏效應下的通訊卻可以即時傳輸，所以也可以說的糾纏通信技術是將來星際間傳播的必備手段。

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

結尾：

量子光子器件和經(jīng)典電子控制的單硅芯片集成在不遠的未來將打開一扇大門，讓兼容CMOS技術的完全利用芯片的量子通信和信息處理網(wǎng)絡成為可能，這項研究為用于量子通信和計算的大規(guī)模集成量子光子技術奠定了基礎。