Телепортация: важный шаг в улучшении квантовых вычислений

«Beam me up» — одна из самых известных фраз из серии «Звездный путь». Это команда, выдаваемая, когда персонаж хочет телепортироваться из удаленного места обратно на звездный корабль.

В то время как человеческая телепортация существует только в научной фантастике, телепортация возможна в субатомном мире квантовой механики — хотя и не так, как это обычно показывают по телевидению. В квантовом мире телепортация включает в себя передачу информации, а не перевозку материи.

В прошлом году ученые подтвердили, что информация может передаваться между фотонами на компьютерных чипах, даже если фотоны не связаны физически.

Теперь, согласно новым исследованиям Университета Рочестера и Университета Пердью, телепортация между электронами также возможна.

В статье, опубликованной в Nature Communications и опубликованной в Physical Review X , исследователи, включая Джона Никола, доцента физики в Рочестере, и Эндрю Джордана, профессора физики в Рочестере, исследуют новые способы создания квантово-механических методов. взаимодействия между удаленными электронами. Исследование является важным шагом в улучшении квантовых вычислений, которые, в свою очередь, могут революционизировать технологии, медицину и науку, предоставляя более быстрые и эффективные процессоры и датчики.

«Жуткий экшн на расстоянии»

Квантовая телепортация является демонстрацией того, что Альберт Эйнштейн, как известно, называл «жутким действием на расстоянии» — также известным как квантовая запутанность. В запутанности — одном из основных понятий квантовой физики — свойства одной частицы влияют на свойства другой, даже когда частицы разделены большим расстоянием. Квантовая телепортация вовлекает две отдаленные, запутанные частицы, в которых состояние третьей частицы мгновенно «телепортирует» свое состояние к двум запутанным частицам.

Квантовая телепортация является важным средством передачи информации в квантовых вычислениях. В то время как типичный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами, квантовые компьютеры кодируют информацию в квантовых битах или кубитах. Бит имеет одно двоичное значение, которое может быть либо «0», либо «1», но кубиты могут быть одновременно и «0», и «1». Способность отдельных кубитов одновременно занимать несколько состояний лежит в основе большой потенциальной мощности квантовых компьютеров.

Ученые недавно продемонстрировали квантовую телепортацию, используя электромагнитные фотоны для создания дистанционно запутанных пар кубитов.

Кубиты, сделанные из отдельных электронов, также являются перспективными для передачи информации в полупроводниках.

«Отдельные электроны являются многообещающими кубитами, потому что они очень легко взаимодействуют друг с другом, а отдельные электронные кубиты в полупроводниках также масштабируемы», — говорит Никол. «Надежное создание дальних взаимодействий между электронами имеет важное значение для квантовых вычислений».

Однако создание запутанных пар электронных кубитов, охватывающих большие расстояния, что необходимо для телепортации, оказалось сложной задачей: хотя фотоны естественным образом распространяются на большие расстояния, электроны обычно ограничиваются одним местом.

Запутанные пары электронов

Чтобы продемонстрировать квантовую телепортацию с использованием электронов, исследователи использовали недавно разработанную технику, основанную на принципах гейзенберговского обменного взаимодействия. Отдельный электрон подобен стержневому магниту с северным полюсом и южным полюсом, который может указывать вверх или вниз. Направление полюса — например, направлен ли северный полюс вверх или вниз — известно как магнитный момент электрона или состояние квантового вращения. Если частицы определенного типа имеют одинаковый магнитный момент, они не могут быть в одном и том же месте в одно и то же время. То есть два электрона в одном и том же квантовом состоянии не могут сидеть друг на друге. Если они это сделают, их состояния будут меняться во времени.

Исследователи использовали эту технику для распределения запутанных пар электронов и телепортирования их спиновых состояний.

«Мы предоставляем доказательства« перестановки запутывания », в которой мы создаем запутанность между двумя электронами, даже если частицы никогда не взаимодействуют, и« телепортацию квантовых ворот », потенциально полезную технику для квантовых вычислений с использованием телепортации, — говорит Никол. «Наша работа показывает, что это можно сделать даже без фотонов».

Результаты открывают путь для будущих исследований квантовой телепортации с участием спиновых состояний всей материи, а не только фотонов, и предоставляют больше доказательств удивительно полезных возможностей отдельных электронов в кубитовых полупроводниках.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Рочестерским университетом . Оригинал написан Линдси Валич. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Изображение квантового процессора полупроводникового чипа

---

Ссылки на журналы :

1. Хайфэн Цяо, Ядав П. Кандель, Сринат К. Маникандан, Эндрю Н. Джордан, Саид Фаллахи, Джеффри С. Гарднер, Майкл Дж. Манфра, Джон М. Никол. Условная телепортация спиновых состояний квантовых точек . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-16745-0
2. Хайфэн Цяо, Ядав П. Кандель, Куангинь Дэн, Саид Фаллахи, Джеффри С. Гарднер, Майкл Дж. Манфра, Эдвин Барнс, Джон М. Никол. Когерентный мультиспиновый обмен в спиновой цепочке квантовых точек . Физический обзор X , 2020 [ ссылка ]