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科學家將在芯片上實現量子糾纏

2015-02-02

    量子運算將推動未來的電腦革命,催生性能超越大型超級電腦的小型硬體系統,且配備能阻絕所有駭客、無法破解的加密功能;不過在量子運算領域還缺了一塊,也就是愛因斯坦(Einstein)所提出的“鬼魅般的遠距作用(spookyactionatadistance)”──量子糾纏,指的是可靠來源的糾纏光子會反映彼此的狀態(tài),無論它們在標準CMOS晶片上距離多遠。

    而現在義大利帕維亞大學(UniversitadegliStudidiPavia)的科學家聲稱,他們已經與英國格拉斯哥大學(UniversityofGlasgow)以及加拿大多倫多大學(UniversityofToronto)合作,突破了這個工程上的最后障礙。

  “我們的想法是將雷射光打入一個微小的環(huán)中,提高兩個光子交互作用的概率;我們認為這種方法特別可以用來產生糾纏的光子對。”帕維亞大學教授DanieleBajoni表示:“以往我們發(fā)現,把光局限在環(huán)狀振諧器(resonator)內,能大幅強化光與物質之間的交互作用,最新的實驗結果顯示那是可以透過設計達成、并非偶然的現象。”

  晶片上的量子糾纏現象最立即的應用就是無法破解的加密,晶片廠商所要做的只有打造矽光子環(huán)狀振蕩器以及流行的量子加密演算法,就能產生在實驗室經過證實的糾纏現象(但科學家們是利用笨重的昂貴儀器而非廉價的晶片)。

  Bajoni解釋,利用量子糾纏現象最常見的加密演算法就是Eckert協議,其原理基本上就是讓傳遞資訊的雙方(代號是Alice與Bob)交換一組糾纏的光子對,例如把閑置的光子傳送給Alice,然后帶著訊號的光子則傳送給Bob;Alice會對她的光子執(zhí)行特定的量測,取得隨機的結果(例如1100101),而如果Bob在他的光子上也執(zhí)行了正確的量測,因為糾纏現象,他所得到的隨機位元字串會跟Alice是一樣的。

  “然后它們之間就能利用那個隨機位元字串加密訊號,再用一般頻道來傳送;”Bajoni表示:“而如果有人竊聽Alice與Bob之間交換的糾纏光子,其行為就會改變光子的特性,因此Alice與Bob就會發(fā)現有人在竊聽,并因此確保通訊的安全性。”

  微小的20微米尺寸環(huán)狀振蕩器能發(fā)射連續(xù)的糾纏光子束,催生未來的量子電腦以及無法破解密碼的晶片

  未來該研究團隊打算將利用已知的方法添加另一個矽光子對,打造能讓其他人也能使用的完整晶片上量子糾纏引擎;這種特殊加密方法產業(yè)界已經夢寐以求了數十年,現在可望因為這些科學家們發(fā)明的糾纏光子新來源而實現。

  “顯然下一步是要把所需的零組件整合到晶片上;我們的實驗結果是使用矽晶環(huán)狀振蕩器做為糾纏光子的來源,但之后所發(fā)射光線的過濾以及糾纏的量測,則是透過外部的實驗設置完成。”Bajoni指出,那些外部環(huán)境設置最終都能被整合到一個晶片里;而透過來自不同合作團隊的相關研究成果,他們也找到了將濾光片(spectralfilters)與環(huán)狀振諧器整合的方法。

  Bajoni表示:“未來我們將在一個完全整合的平臺上打造必備的干涉儀(interferometer),甚至是探測器(detector);最終目標是讓兩顆晶片透過光纖連結,為完整的量子加密解決方案執(zhí)行關鍵的資料交換。”上述研究的完整論文可參考此連結。

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