安德婭·布蘭科雷東多（Andrea Blanco-Redondo）博士在悉尼大學悉尼納米研究所

據《科學》雜誌11月2日刊發的一篇研究論文稱，澳大利亞科學家與以色列同行密切合作，首次利用拓撲學中的物理概念，證明了對成對光子（光能量包）之間相關態勢實施保護的可能性。這一實驗性的突破爲構建新型量子比特開闢了一條新的道路，而量子比特是製造量子計算機的基石。

該研究論文的第一作者安德婭·布蘭科雷東多（Andrea Blanco-Redondo）博士介紹道：“我們現在提出了一種利用受保護的光子對，爲邏輯門建立強糾纏態的方法。”邏輯門是一種運行鍼對量子計算機而編寫的算法所需的開關，傳統的運算開關是以簡單二進制的0或1的形式存在，而量子開關是以結合了0和1兩種狀態的‘疊加態’的形式而存在的。

進行這一研究的出發點是，如果能對量子信息進行足夠長時間的保護，那麼量子計算機就能夠用其進行有用的運算，然而，要實現這一功能卻是現代物理學研究面臨的最大挑戰之一。具有實用價值的量子計算機需要數以百萬計或數十億計的量子位元來處理信息，而到目前爲止，最好的實驗設備僅有大約20個量子位。爲了充分釋放量子技術的潛力，科學家們需要找到一種在納米層面上保護量子比特糾纏疊加態的方法。儘管之前的研究嘗試利用超導體和被捕獲的離子來實現這一目標，並且取得了初步成果，但是它們非常容易受到電磁作用的干擾，因此很難將它們擴展升級爲在實際中有用的量子計算機。

針對這種情況，科學家們提出了另外一種手段來建立能進行量子算法運算的邏輯門，其利用的是光子（光能量包），而不是電子。與電子不同的是，光子與熱環境和電磁環境是完全隔離的。然而，直到取得該研究成果之前，基於光子量子位元的定標量子器件由於散射損耗和其他誤差，其應用潛力還受諸多限制。

布蘭科雷東多（Andrea Blanco-Redondo）博士解釋道：“我們成功開發出的是一種新型的硅納米線晶格結構，其具有的特殊對稱性爲光子的相互關聯提供了非同一般的魯棒性。這種有助於營造和引導被稱爲“邊緣模式”（edge modes）相關態勢的對稱性來源於底層拓撲結構——這是晶格所具有的一種全局屬性，能在無序狀態中保持不變。”而生成的這種關聯性是創建量子門的糾纏態所必需的。這項研究取得了近十年來在物質拓撲態研究領域內的最新成果，這些拓撲特性能夠在電磁、凝聚態、聲學和冷原子等不同領域爲經典信息和量子信息傳遞提供了保護。

悉尼大學納米研究所（University of Sydney, Nano Institute）的理論量子物理學家斯蒂芬·巴勒特（Stephen Bartlett）教授沒有參與這項研究，但是他對此給予了高度的評價：“布蘭科雷東多博士的研究成果在基礎層面上是令人興奮的，因爲它證明了附着在拓撲有序材料邊界上受保護模式存在的可能性。雖然這一研究還處於早期階段，對量子計算領域意味着什麼還尚且不清楚，但是我們希望這些邊緣模式所提供的保護可以被用來保護光子免受量子應用中噪聲問題的影響。

編譯：Jonathan 審稿：alone 責編：張夢

期刊來源：《科學》

原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181101142910.htm

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