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科学家将在芯片上实现量子纠缠

2015.10.10

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        量子运算将推动未来的电脑革命,催生性能超越大型超级电脑的小型硬体系统,且配备能阻绝所有骇客、无法破解的加密功能;不过在量子运算领域还缺了一块,也 就是爱因斯坦(Einstein)所提出的“鬼魅般的远距作用(spooky action at a distance)”──量子纠缠,指的是可靠来源的纠缠光子会反映彼此的状态,无论它们在标准CMOS晶片上距离多远。

      而现在义大利帕维亚大学 (Universita degli Studi di Pavia)的科学家声称,他们已经与英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)以及加拿大多伦多大学(University of Toronto)合作,突破了这个工程上的最后障碍。

     “我们的想法 是将雷射光打入一个微小的环中,提高两个光子交互作用的概率;我们认为这种方法特别可以用来产生纠缠的光子对。”帕维亚大学教授Daniele Bajoni表示:“以往我们发现,把光局限在环状振谐器(resonator)内,能大幅强化光与物质之间的交互作用,最新的实验结果显示那是可以透过 设计达成、并非偶然的现象。”

        晶片上的量子纠缠现象最立即的应用就是无法破解的加密,晶片厂商所要做的只有打造矽光子环状振荡器以及流行的量子加密演算法,就能产生在实验室经过证实的纠缠现象(但科学家们是利用笨重的昂贵仪器而非廉价的晶片)。

       Bajoni 解释,利用量子纠缠现象最常见的加密演算法就是Eckert协议,其原理基本上就是让传递资讯的双方(代号是Alice与Bob)交换一组纠缠的光子对, 例如把闲置的光子传送给Alice,然后带着讯号的光子则传送给Bob;Alice会对她的光子执行特定的量测,取得随机的结果(例如1100101), 而如果Bob在他的光子上也执行了正确的量测,因为纠缠现象,他所得到的随机位元字串会跟Alice是一样的。

      “然后它们之间就能利用那个随机位元字串加密讯号,再用一般频道来传送;”Bajoni表示:“而如果有人窃听Alice与Bob之间交换的纠缠光子,其行为就会改变光子的特性,因此Alice与Bob就会发现有人在窃听,并因此确保通讯的安全性。”


微小的20微米尺寸环状振荡器能发射连续的纠缠光子束,催生未来的量子电脑以及无法破解密码的晶片
(来源:Universita degli Studi di Pavia)

         未来该研究团队打算将利用已知的方法添加另一个矽光子对,打造能让其他人也能使用的完整晶片上量子纠缠引擎;这种特殊加密方法产业界已经梦寐以求了数十年,现在可望因为这些科学家们发明的纠缠光子新来源而实现。

         “显 然下一步是要把所需的零组件整合到晶片上;我们的实验结果是使用矽晶环状振荡器做为纠缠光子的来源,但之后所发射光线的过滤以及纠缠的量测,则是透过外部 的实验设置完成。”Bajoni指出,那些外部环境设置最终都能被整合到一个晶片里;而透过来自不同合作团队的相关研究成果,他们也找到了将滤光片 (spectral filters)与环状振谐器整合的方法。

          Bajoni表示:“未来我们将在一个完全整合的平台上打造必备的干涉仪(interferometer),甚至是探测器(detector);最终目标是让两颗晶片透过光纤连结,为完整的量子加密解决方案执行关键的资料交换。”上述研究的完整论文可参考此连结。  编译:Judith Cheng (参考原文: Quantum Entanglement Now On-a-Chip,by R. Colin Johnson).

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