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美国科学家首次成功量子计算研究取得新突破

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发表于 2023-12-17 04:40:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

美国科学家首次成功 量子计算研究取得新突破

新闻周刊

美国科学家首次成功 量子计算研究取得新突破

美国科学家首次成功 量子计算研究取得新突破


据美国《新闻周刊》网站12月8日报道,普林斯顿大学、哈佛大学和麻省理工学院的物理学家首次成功地将处于特殊量子态的两个分子连接在一起,在量子计算研究方面取得了重大突破。这一发现可能会带来更强大的量子计算,并支持新的研究技术。量子纠缠是一种奇怪的现象,尽管两个粒子相距甚远,但它们却能紧密地联系在一起。这是被爱因斯坦描述为“幽灵般的超距作用”的过程,当两个粒子处于两种或更多不同状态的叠加态时,就会发生这种情况。

并未参与此项研究的英国布里斯托尔大学物理学副教授斯蒂芬·克拉克对《新闻周刊》说:“传统的经典计算机在二进制数据上执行逻辑运算,存储器由称为位的单位组成,可以是0或1。相比之下,量子计算机是一种基于量子力学关键特征——叠加态(同时为0和1)的设备。”

为了理解这种特性是如何支持量子计算的,克拉克用地理常识打了个比方。

“你可以把0和1想象成北极和南极,(叠加态)则是赤道。因此,虽然经典比特只能在两极,但量子比特则可以位于球体的整个表面。”

为了发挥作用,量子计算机必须包含数千个量子比特。克拉克说:“一旦你有了很多量子比特,叠加态原理就会产生量子力学中最基本、最实用的特征——量子纠缠。”

尽管这些量子比特在计算机芯片上是分开的,但它们仍处于叠加态,在这种状态下,一对量子比特均可同时等于0和1。

克拉克说:“粗略地说,量子计算机可以通过首先创建所有可能输入(指数级)的巨大叠加态来超越经典计算机……再像传统计算机那样并行处理这些数据。这样做所产生的状态会产生大量纠缠,使其成为量子计算机中无处不在的成分。”


然而,创造可控制的纠缠状态仍然是个挑战。克拉克说:“在任何新技术平台上展示可验证及可控的纠缠都是极难的,同时也是重大突破。”

之前,像光子和离子这样的小粒子已经实现了这种状态下的可控连接。

克拉克说:“研究之所以特别重要,是因为它涉及的是相对较大的分子。这使得它们更难控制,但同时也可能造就更强大的处理能力。”

发表在最新一期的《科学》周刊上的研究展示了如何在这些大分子中诱发纠缠状态。由物理学教授劳伦斯·卓(音)带领的普林斯顿大学研究小组使用激光冷却技术将分子减速到可测量量子行为的状态,然后再仔细地将单个分子置于精确布局中。为了移动分子,研究小组使用了一个复杂的聚焦激光系统,它的作用就像一对超细镊子。


这里用到的单氟化钙分子含有钙原子和氟原子。分子内的负电子稍微靠近氟原子,使得分子的这端带有轻微的负电荷。

与此同时,单氟化钙分子的钙端带净正电荷。当它们处于分子镊子阵列中时,这些分子可以两种状态存在——既可以正电荷向上,也可以正电荷向下,就像在手表里放电池一样。

通过将这些分子配对,研究人员能够通过正负极交互作用在成对分子之间产生可控纠缠。

哈佛大学和麻省理工学院的一个研究小组也发现了类似结果。

卓在一份声明中说:“将分子用于量子力学是一个新的前沿领域,我们对按需纠缠的演示是证明分子可以被用作量子力学可行平台的关键一步。”

他接着说:“(哈佛大学和麻省理工学院的研究小组)得到了相同的结果,这一事实(证实了)我们研究结果的可靠性。它们还表明,分子镊子阵列正成为令人兴奋的量子力学新平台。”

克拉克说,这些结果不仅是量子计算未来的潜在应用,同时或可在更基础的层面上支持物理学研究。

克拉克说:“比如说,它可以让激光冷却技术——对原子非常有效——应用于更大、更复杂的分子。创造质量更大物体(如分子)的纠缠态也可有助于对重力进行量子增强的精密测量,以及探索纠缠如何改变分子之间的碰撞和化学反应。这些可能会对科学产生更直接的影响。”

卓说,研究结果“也是实际应用的一个突破,因为纠缠分子可作为未来诸多应用的基石。”

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