2020-07-07 05:17

科学家:瞬间传输可能吗?是的可能,在量子世

瞬间传输,英文:Teleportation,又称为:瞬间移动、瞬时传送、隐形传送、心灵运输等,简称:瞬移,指的是将物体瞬移到不同的空间、或者自己本身在一瞬间移到他处的现象与能力。瞬移经常出现在科幻作品当中。在科幻影视系列《星际迷航》(Star Trek)中,最著名的口号命令之一就是:“Beam me up”,意思说:把我瞬移到星舰上。

尽管人类的隐形传态只存在于科幻小说中,但隐形传态在量子力学的亚原子世界中是可能的,尽管这并非通常所描绘的方式。在量子世界中,远距传输涉及信息的传输,而不是物质的传输。

去年,科学家证实,即使光子没有物理连接,信息也可以在计算机芯片上的光子之间传递。

现在,美国罗切斯特大学和普渡大学的研究团队的最新研究表明,电子之间也可能实现隐形传送。他们的最新研究成果论文发表在最近的《自然通讯》上。论文第一作者为博士生中国学者、乔海峰(Haifeng Qiao)。

该研究探索了创建量子力学的新方法,远距离电子之间的相互作用。这项研究是改进量子计算的重要一步,量子计算有可能通过提供更快、更高效的处理器和传感器来革新技术、医学和科学。如下图所示研究实验室中,量子处理器半导体芯片连接到电路板上,以探索在远距离电子之间建立量子力学相互作用的新方法。

量子隐形传态是爱因斯坦所称的著名的“远距离鬼魅作用”的例证,也称为量子纠缠。在量子物理学的基本概念之一的纠缠中,一个粒子的性质会影响另一个粒子的性质,即使粒子之间相距很远也是如此。量子隐形传态涉及两个遥远的纠缠粒子,其中第三个粒子的状态立即将其状态“传送”到两个纠缠粒子上。

量子隐形传态是量子计算中传输信息的重要手段。虽然典型的计算机由数十亿个称为比特组成,但量子计算机将信息编码为量子比特或量子位。一个比特具有单个二进制值,可以为“ 0”或“ 1”,但量子位可以同时为“ 0”和“ 1”。单个量子位同时占据多个状态的能力是量子计算机巨大潜力的基础。科学家最近通过使用电磁光子创建了遥远纠缠的量子位对,证明了量子隐形传态。

但是,由单个电子制成的量子比特也有望在半导体中传输信息。研究人员说:“单个电子是有前途的量子位,因为它们彼此之间很容易相互作用,并且半导体中的单个电子量子位也是可扩展的。” “可靠地创建电子之间的长距离相互作用对于量子计算至关重要。”

但是,事实证明,创建远距离传输所需的纠缠的电子量子位对非常具有挑战性:尽管光子自然地在远距离内传播,但电子通常被限制在一个地方。

为了证明使用电子进行量子隐形传态,研究人员利用了最新开发的基于海森堡交换耦合(Heisenberg exchange coupling)原理的技术。单个电子就像条形磁铁,其北极和南极可以指向上方或下方。极的方向(例如北极是否指向上方或下方)被称为电子的磁矩或量子自旋状态。如果某些种类的粒子具有相同的磁矩,则它们不能同时在同一位置,即处于相同量子态的两个电子不能彼此重叠。如果这样做,他们的状态将及时来回交换。

研究人员使用该技术分配纠缠的电子对并传送其自旋态。研究人员表示:“我们提供了‘纠缠交换’(entanglement swapping)的证据,在纠缠交换中,即使粒子从未相互作用,我们也会在两个电子之间产生纠缠,而“量子门隐形传态”则是使用隐形传态进行量子计算的一种潜在有用技术。” “我们的工作表明,即使没有光子也可以做到这一点。”

这些结果为涉及所有物质的自旋态而不仅仅是光子的量子隐形传态的未来研究铺平了道路,并为量子电子在量子位半导体中令人惊奇的能力提供了更多证据。

参考:Conditional teleportation of quantum-dot spin states. Nature Communications. Published: 15 June 2020