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近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ ORNL ）的科研團隊演示了一種根據 頻率模式 拆分光束的新方案。 然後，科學家們選擇了他們想要的頻率，再將量子信息編碼到光子中。 這項研究將促進量子信息處理和分佈式量子計算的發展。
背景
量子計算，是一種遵循量子力學規律的新型計算模式。 對於傳統的經典計算機無法勝任的計算任務來說，量子計算機卻可以勝任 。 這種超強的計算能力要歸功於量子計算機核心單元：“ 量子位 ”。
經典計算機是通過特位來表示二進制信息：一個比特只能代表0和1。 然而，量子計算機中的量子位 可以同時處於“即是0和又是1”的狀態 ， 它是一個雙態量子系統（例如：光子偏振態或電子自旋態等等） 。 多個量子位可以在“糾纏”態下連接，操作單個量子位就可以改變整個系統， 即使每個量子位的物理上離得很遠 。
兩個“幽靈般”的量子物理原理： “ 糾纏 ”和“疊加” ，是量子信息處理的基礎，從而帶來超高速量子計算機和完全安全的信息傳輸方式。
筆者曾介紹過加拿大魁北克大學國立科學研究院教授 Roberto Morandotti 及其團隊發表過的一篇論文，他們 論證了 芯片上的頻率梳 可以用於同時產生多光子糾纏的量子位狀態。 在光學芯片上產生復雜的量子糾纏狀態 有望革新信息技術， 同時也讓量子信息處理技術，更加貼近現實應用。
（圖片來源：魁北克大學國立科學研究院）
創新
今天，筆者要再介紹一個與光學頻率相關的量子位方案。 近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ ORNL ）的科研團隊演示了一種根據 頻率模式 拆分光束的新方案。 然後，科學家們選擇了他們想要的頻率，再將量子信息編碼到光子中。
這項研究將促進量子信息處理和分佈式量子計算的發展。 團隊的研究發現發表於《物理評論快報（ Physical Review Letters ）》雜誌。
（圖片來源： Genevieve Martin / ORNL）
技術
光的頻率決定了它的色彩。 當頻率被分開時，如同彩虹一樣，每種顏色的光子都可以進行量子信息編碼，並以量子位的形式呈現。
團隊的新方案首次展示了一種可以將光線拆分為三種頻率的儀器 ，它返回的結果恰好與科學家的預測相匹配，並且許多量子信息處理操作可以同時無誤地進行。 在越來越複雜的條件下， 量子系統按照預期運行，且不會影響信息編碼。
ORNL 量子信息科學小組量子通信團隊的領頭人 Nicholas Peters 表示：“在我們的實驗條件下，我們將典型錯誤率減少到1/10。這讓我們方案成為高維頻基量子信息處理的領跑者。”
光子能以“疊加”的狀態攜帶量子信息，即光子可以同時具有多個比特值，而且兩種處於“疊加”態的量子系統會導致糾纏，而糾纏是量子計算的又一關鍵資源。
糾纏增加了量子計算機可以進行的計算數量，團隊專注於創造更加複雜的頻率狀態，從而使得量子模擬更加強大和高效。 這種新方案也非常值得關注，因為它演示了阿達馬門（ Hadamard gate ），一種用於普通量子計算的基礎電路。
價值
項目的首席研究員 Pavel Lougovski 表示：“我們能夠迅速演示出極度高保真的結果，這對於光學方案來說非常了不起。在ORNL，通過基於頻率的編碼研究，我們創建出一個了不起的子域。”
這種方法利用了現有的組件和廣泛應用的通信技術，產生出高保真的結果。 這項研究也將惠及量子中繼器的開發，它將拓展量子信息在 物理上獨立的計算機之間 傳輸距離。
Lougovski 表示：“我們的方法是兼容通信網絡的，這是一大優點。如果需要，我們能夠在通信網絡基礎上展開量子計算。”
Peters 補充道，他們的方案展示了一種未被使用的光纖光學帶寬，它可以帶來並行操作，從而減少運算時間。
ORNL 實驗的領頭人 Joseph Lukens 表示：“我們的研究使用頻率的主要優點 （穩定性），從而得到非常高的保真度，然後在我們需要時，進行受控頻率跳躍。 ” 研究人員已經通過實驗展示了量子系統可以進行轉化，從而產生需要的輸出。
研究人員建議，他們的方法可以與現有的分束技術相配合，利用二者的優點，讓科學界離完全利用基於頻率的光子量子信息處理更進一步。
關鍵字
參考資料
【1】https://www.ornl.gov/news/researchers-demonstrate-promising-method-improving-quantum-information-processing
【2】 Hsuan-Hao Lu, Joseph M. Lukens, Nicholas A. Peters, Ogaga D. Odele, Daniel E. Leaird, Andrew M. Weiner, Pavel Lougovski. Electro-Optic Frequency Beam Splitters and Tritters for High-Fidelity Photonic Quantum Information Processing . Physical Review Letters , 2018; 120 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.030502
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