物質與光之間的信息量子傳輸取得了突破

從靜止到具有前所未有的速度的飛行量子比特…這一由蒙特利爾綜合理工學校和法國國家科學研究院完成的壯舉使我們朝著通過量子原理來傳輸信息的時代又近了一步。

一篇題為《與ZnSe中的Te等電子中心綁定的空穴自旋的高逼真度和超快初始化》的文章最近發表在了《物理評論快報》雜誌上。在一種大家熟知的半導體材料——硒化鋅上創造出量子比特，有可能在支配納米尺度物質的行為的量子物理學和以光的速度完成的信息傳遞之間產生一個界面，從而為量子通信網路的產生鋪平了道路。

經典物理與量子物理

在當今的計算機中，經典物理起著統治作用。數十億的電子一起工作，以產生一個信息位：0代表不存在電子，1代表存在電子。在量子物理學中，單電子是首選，因為它們表現出了一個驚人的屬性：電子的取值可以為0或1或這兩種狀態的任意疊加態。這就是量子比特，經典比特在量子世界中的等效物。量子比特為研究者提供了驚人的可能性。

新的研究成果為量子通信網路的產生鋪平了道路。

一個電子圍繞著自身旋轉，有點像一個旋轉的陀螺。這就是自旋。通過施加磁場，該自旋的指向會向上，向下，或同時向上和向下從而形成一個量子比特。還有更好的，我們可以使用電子的缺失來代替電子；這就是物理學家稱之為「空穴」的東西。和它的近親——電子一樣，空穴也具有自旋可以形成量子比特。量子比特本質上是一個脆弱的東西，因此它們需要一個特殊的環境。

硒化鋅，碲摻雜：世界首例

硒化鋅,或者叫ZnSe，是一種原子被精確排列的晶體。它也是一種半導體，很容易人為地引入碲雜質——硒在元素周期表中的一個近親，在碲雜質上空穴被束縛，就像玻璃中的氣泡一樣。

這個環境保護了空穴的自旋——我們的量子比特——並有助於在長時間內保持量子比特的量子信息的準確性；這就是相干時間，這是世界各地的物理學家一直在試圖通過一切可能的手段來延長的時間。選擇硒化鋅是有目的的，因為它可以提供所有的半導體材料所能提供的最安靜的環境。

蒙特利爾綜合理工學校和法國國家科學研究院，一個團隊的努力

Philippe St-Jean，Sébastien Francoeur小組的一名博士研究生，採用一個激光器產生的光子來激發空穴並記錄量子信息。為了讀取信息，他用激光再次激發空穴然後收集所發射的光子。得到的是靜止的量子比特——編碼在被晶體俘獲的空穴的自旋和飛行量子比特——以光速飛行的光子之間的一個量子信息傳遞。

這一新技術顯示，以一種比目前所有的方法都快的方法產生量子比特是可能的。事實上，只需要幾百個皮秒，或不到1個納秒，就足以從一個飛行量子比特飛到一個靜態量子比特，反之亦然。

雖然這一成就的前景很好，但是在量子網路可以用來進行無條件安全的銀行交易或建立一個能夠執行最複雜計算的量子計算機之前，還有很多的工作要做。這是Sébastien Francoeur的研究小組將繼續研究的艱巨任務。

加拿大自然科學和工程研究委員會（NSERC）資助了Francoeur先生和他的團隊的研究。

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