QC资讯丨以光速走向量子互联网-量子客
圆偏振光子激发电子自旋的自旋检测示意图。黄色纳米金属电极形成了捕获电子、移动电子和感知电子所需的口袋。

由大阪大学领导的一个研究小组演示了如何将激光束的圆偏振中编码的信息转换成量子点中电子的自旋状态,每个量子点都是量子比特和量子计算机的候选者。这一成就代表了迈向“量子互联网”的重要一步,未来的计算机可以快速、安全地发送和接收量子信息。

量子计算机有可能大大优于当前系统,因为它们以完全不同的方式工作。与处理离散的1和0不同,量子信息,无论是存储在电子自旋中还是通过激光光子传输,都可以同时处于多种状态的叠加中。此外,两个或更多个对象的状态可能会纠缠在一起,因此如果没有这个对象,就不能完全描述其中一个对象的状态。处理纠缠状态允许量子计算机同时评估许多种可能性,并在不受窃听的情况下将信息从一个地方传送传输到另一个地方。

然而,这些纠缠状态可能非常脆弱,只持续几微秒就会失去相干性。为了实现量子互联网的目标,相干光信号必须能够与远程计算机中的电子自旋相互作用,通过量子互联网传输量子信息。

由大阪大学领导的研究人员通过改变被困在量子点上的单个电子的自旋状态,利用激光向量子点发送量子信息。虽然电子不像通常意义上那样旋转,但它们确实具有角动量,当吸收圆偏振激光时可以翻转。

“重要的是,这个动作让我们能够在应用激光后读取电子的状态,以确认它处于正确的旋转状态。”第一作者Takafumi Fujita说,“我们的读出方法使用了泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),它禁止两个电子占据完全相同的状态。在微小的量子点上,如果有正确的自旋,电子只有足够的空间通过所谓的泡利自旋封锁(Pauli spin blockade)。

量子信息传输已用于加密目的。“叠加状态或纠缠态的转移允许完全安全的量子密钥分配。”资深作者Akira Oiwa说,“这是因为任何试图拦截信号的行为都会自动破坏叠加,使得监听时不被发现是不可能的。”

对单个自旋的快速光学操作是制备量子纳米尺度通用计算平台的一种有前途的方法。一个令人兴奋的可能性是,未来的计算机可能能够将这种方法用于许多其他应用,包括优化和化学模拟。

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