重磅：實現超過340微米的量子隱形傳態！
美國國家標準與技術研究院(NIST)物理學家們傳送了一條計算機電路指令，該指令被稱為兩個分離離子(帶電原子)之間的量子邏輯運算，展示了量子計算機程序如何在未來的大規模量子網路中執行任務。量子隱形傳態將數據從一個量子系統(比如一個離子)傳輸到另一個量子系統(比如第二個離子)，即使這兩個量子系統彼此完全隔離，就像兩本書在獨立建築的地下室里一樣。在這種現實生活中的隱形傳態中，只有量子信息而不是物質被傳輸。
而不是像《星際迷航》(Star Trek)中那樣，把整個人類從一艘宇宙飛船「傳送」到一顆行星。量子數據的隱形傳輸以前已經被證明與離子和其他各種量子系統。但是這項新研究是第一個使用離子傳送完整量子邏輯運算的，離子是未來量子計算機架構的主要候選，其實驗研究發表在2019年5月31《科學》上。NIST物理學家Dietrich Leibfried說：我們驗證了邏輯運算在兩個量子比特的所有輸入狀態下都能工作，其概率在85%到87%之間。
如果能造出一台全尺寸量子計算機，就能解決目前難以解決的某些問題。NIST為利用量子行為開發實用技術的全球研究工作做出了貢獻，包括建造量子計算機。要讓量子計算機像預期的那樣運行，可能需要數以百萬計的量子比特（量子位），以及在分布在大規模機器和網路上的量子位之間進行操作的方法。邏輯運算的隱形傳態是一種沒有直接量子力學連接的方法(仍然需要用於交換經典信息的物理連接)。
NIST團隊在位於離子阱不同區域的兩個鈹離子量子位元之間傳送了一個量子控制非(CNOT)邏輯操作（邏輯門），距離超過340微米，這個距離排除了任何實質性的直接相互作用。CNOT操作將第二個量子位從0翻轉到1，反之亦然，只有當第一個量子位為1時；如果第一個量子位是0，什麼也不會發生。在典型的量子方式中，兩個量子位元都可以處於「疊加」狀態，即它們同時具有1和0的值。
NIST隱形傳態過程依賴於糾纏，它將粒子的量子特性聯繫在一起，即使它們是分離的。一個「信使」對糾纏的鎂離子是用來傳輸信息之間的鈹離子。NIST團隊發現，遠程傳輸CNOT過程使兩個鎂離子糾纏在一起——這是一個關鍵的早期步驟，成功率為95%，而整個邏輯操作的成功率為85%到87%。柵極隱形傳態允許我們在空間上分離的兩個離子之間執行量子邏輯門，這兩個離子以前可能從未相互作用過。
關鍵是它們每一個身邊都有另一對糾纏對的一個離子，而這種分布在柵極前方的糾纏源，讓我們可以做一個沒有經典對應物的量子把戲。糾纏的信使對可以在計算機的一個專用部件中產生，並單獨運送到需要與邏輯門連接但位於偏遠位置的量子位元。NIST的研究人員還首次集成到一個單一實驗中，包括控制不同類型的離子、離子輸運和對系統選定子集的糾纏操作，這些操作對於構建基於離子的大規模量子計算機必不可少。
為了驗證執行了CNOT門，研究人員用16種不同的輸入狀態組合準備了第一個量子位元，然後測量了第二個量子位元的輸出。這產生了一個廣義的量子「真值表」，顯示了這個過程的工作。除了生成真值表外，研究人員還檢查了擴展運行時數據的一致性，以幫助確定實驗設置中的錯誤源。這一技術有望成為今後實驗表徵量子信息過程的重要工具。
博科園｜研究/來自：美國國家標準與技術研究院（NIST）
參考期刊《科學》
DOI: 10.1126/science.aaw9415
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