科大物理学家助开创量子内存新纪录 为实现量子计算机应用推进一步

2019-04-28

香港科技大学(科大)及华南师范大学(华师)的研究团队,创出光子量子内存新纪录,为实现量子计算机应用推进一步。

正如传统计算机中的内存,量子内存是量子计算机中不可或缺的组件。量子计算机是建基于量子力学规律的新一代数据处理器,不但能克服传统计算机的限制,其强大计算能力更有望拓阔基本科学的界限,譬如协助研发新药物、破解天文学谜思,或开发更准确的预测系统与优化计划等。有别于传统计算机的计算单位「比特」(bits),量子计算机以「量子比特」(qubits)进行计算,每个单位可同时并行处理0和1,原则上可较传统计算机更快及能处理更复杂的运算。

光子量子内存可以储存并读取飞行单光子的量子态。但要制备高效能的量子内存,至今仍旧是一个重大的挑战,因为这需要一个高效的光子-物质的量子接口。此外,由于单一光子的能量非常微弱,极容易被杂乱的背景光所盖过。因此量子内存的效能长期被局限于百分之五十以下 - 低于可让量子内存作实际应用的门坎数值。

如今,由科大物理学系及蒙民伟纳米科技研究所杜胜望教授、科大博士毕业生及现任华师教授张善超、前科大博士后及现任华师教授颜辉、以及来自华师与南京大学的朱诗亮教授所带领的研究团队,首次突破瓶颈,将单光子量子内存的效能提升至85%以上、保真度超过99%。

团队利用激光和磁场将数以亿计的铷原子捕捉到一个毛发状的窄小空间之中,并将这些原子冷却至接近绝对零度(约0.00001 K),从而创造了一个量子内存。团队还巧妙地将单个光子与光学噪音区分开来。是次研究成果使量子计算机『大众化』这梦想迈前一步。这种量子内存还可被用作量子网络的中继器,为新一代量子互联网奠定基础。

杜教授表示:「在这项研究中,我们将量子比特编码到单个飞行光子的偏振态上,并将之储存到利用激光冷却了的原子团中。虽然是次实验只展示了对单一量子比特的储存操作,但此发现却为未来的量子技术与工程带来新的可能。」

有关研究结果近日成为权威期刊《自然光子学》的封面故事。这也是杜教授所领导的原子和量子光学实验室,自2011年起所开展一系列量子储存研究中的最新成果。

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香港科技大学(www.ust.hk)是国际知名的研究型大学,其科学、工程、商业管理及人文社会科学领域,均臻达世界一流水平。科大校园国际化,提供全人教育及跨学科研究,培育具国际视野、创业精神及创新思维的优秀人才。科大的研究于香港的大学教育资助委员会「2014研究评审工作」获得最多「世界领先」评级,亦于最新的《泰晤士高等教育全球年轻大学排名榜2018》中排行第一,而科大的毕业生在2018年度的全球大学就业能力调查排名第16位,位列大中华院校之首。

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(左起)张善超教授、杜胜望教授、朱诗亮教授及颜辉教授
(左起)张善超教授、杜胜望教授、朱诗亮教授及颜辉教授
单光子量子内存的实验设计及能级示意图。
单光子量子内存的实验设计及能级示意图。
有关研究结果近日成为权威期刊《自然光子学》的封面故事。
有关研究结果近日成为权威期刊《自然光子学》的封面故事。