量子研究獲突破 可孕育超快電腦和超安全密碼

北京時(shí)間4月2日消息，一組研制量子計(jì)算機(jī)的科學(xué)家取得一項(xiàng)重大突破，只利用兩個(gè)光子便形成103個(gè)維度的糾纏態(tài)，打破11個(gè)維度這一此前紀(jì)錄。這項(xiàng)研究突破可幫助打造運(yùn)算速度超快的電腦以及無(wú)法被攻克的密碼?？茖W(xué)家開玩笑地說(shuō)他們的研究突破能夠讓“薛定諤之貓”擁有存活、死亡或者其他101種狀態(tài)。

當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)芯片。普通計(jì)算機(jī)的位在任何時(shí)候只有打開或者關(guān)閉一種形態(tài)，量子位卻有處于兩者之間的混合形態(tài)。也就是說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行單任務(wù)或者多任務(wù)處理

一個(gè)兩維子空間，z基底為兩種不同模式的強(qiáng)度和相位，它們的疊加可形成x基底中的模式

目前，美國(guó)國(guó)家安全局也在研制量子計(jì)算機(jī)，試圖攻克密碼系統(tǒng)。

研究過(guò)程中，科學(xué)家只利用兩個(gè)光子便形成103個(gè)維度的糾纏態(tài)，打破11個(gè)維度這一此前紀(jì)錄。這一研究突破意味著科學(xué)家在研制運(yùn)算速度遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)的道路上向前邁進(jìn)一大步，進(jìn)而讓量子計(jì)算機(jī)普及的夢(mèng)想進(jìn)一步照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。此外，這一突破也有助于打造無(wú)法被攻克的密碼。

光子等基本粒子的形態(tài)擁有超出常識(shí)的特性，例如疊加以及一次出現(xiàn)在兩個(gè)地方。這也就意味著量子計(jì)算機(jī)一次可進(jìn)行多種運(yùn)算，大幅提高通行處理多項(xiàng)任務(wù)時(shí)的效率。當(dāng)兩個(gè)量子糾纏在一起時(shí)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)——處在一個(gè)地方或者另一個(gè)地方，以一種方式或者另一種方式旋轉(zhuǎn)——會(huì)立即影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)，不管二者相隔多遠(yuǎn)。科學(xué)家用了多年時(shí)間將兩種特性結(jié)合在一起，在一種疊加狀態(tài)下形成糾纏粒子網(wǎng)絡(luò)。這一成就意味著科學(xué)家可以研制運(yùn)算速度超過(guò)想象的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)信息進(jìn)行超安全加密，進(jìn)行無(wú)法在其他條件下進(jìn)行的量子機(jī)械學(xué)實(shí)驗(yàn)。

為了提高這些粒子系統(tǒng)的運(yùn)算能力，科學(xué)家一直以來(lái)采取的主要方式是增加糾纏粒子的數(shù)量，每一個(gè)處于一種兩維量子疊加狀態(tài)，也就是一個(gè)量子位。量子位就是量子版信息位，所不同的是，它的值可以是1、0或者兩個(gè)值的疊加。借助于這種方式，科學(xué)家最多能夠讓11個(gè)粒子糾纏在一起。

研究小組由奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所的馬里奧-克萊姆領(lǐng)導(dǎo)，成員包括阿拉巴馬伯明翰大學(xué)量子信息與量子現(xiàn)象研究小組的馬庫(kù)斯-胡伯以及巴塞羅那光子科學(xué)研究所的研究人員。在改進(jìn)糾纏量子系統(tǒng)方面，這支研究小組取得重大突破。在發(fā)表于《PNAS》雜志的研究論文中，科學(xué)家闡述了如何讓兩個(gè)粒子擁有103個(gè)維度。胡伯開玩笑地說(shuō)：“我們有兩只‘薛定諤之貓’，它們可以同時(shí)擁有存活、死亡或者其他101種狀態(tài)。此外，它們還能糾纏在一起，其中一個(gè)的狀態(tài)變化會(huì)立即影響另一個(gè)。”

這項(xiàng)研究打破了多維度量子糾纏的紀(jì)錄，讓兩個(gè)粒子擁有103個(gè)維度，此前的紀(jì)錄為11個(gè)維度。研究過(guò)程中，科學(xué)家采取的方式并不是擁有一個(gè)量子位的多個(gè)粒子糾纏在一起，而是形成擁有100多個(gè)狀態(tài)的糾纏光子或者這些狀態(tài)的任何疊加，這種方式的難度遠(yuǎn)低于糾纏多個(gè)粒子。這些高度復(fù)雜的狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的模式，每一個(gè)模式的光子可能以及它們的特征相分布擁有不同的角動(dòng)量和強(qiáng)度。胡伯指出：“這種多維度量子糾纏能夠在量子信息方面擁有巨大應(yīng)用潛力。在加密方面，我們的方式可以極大地提高信息安全，應(yīng)對(duì)噪音和干擾。此外，這一研究成果還能加速量子計(jì)算機(jī)的研制進(jìn)程，因?yàn)橹恍韬苌俚牧孔泳湍軐?shí)現(xiàn)多維度糾纏。”研究發(fā)現(xiàn)顯示實(shí)現(xiàn)多維度糾纏的難度并不高。接下來(lái)，科學(xué)家將嘗試控制數(shù)百個(gè)光子空間模式，用以進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)操作。