Nature：新技术有望解决量子计算机信息传输难题

来自奥地利科学技术研究所的科学家首次用机械物体产生了纠缠辐射，这一技术或许能够解决量子信息在传输过程中容易损坏的问题，帮助我们在量子计算机之间建立连接。

该模型示意图，未来或可连接量子计算机。图片来源：PHILIP KRANTZ, KRANTZ NANOART

来源：奥地利科学技术研究所 
翻译：页一
审校：严冰冰 & 沛米

量子纠缠是量子力学的主要原理之一。奥地利科学技术研究所 Johannes Fink 教授研究组成员发现了一种利用机械振荡器产生纠缠辐射的方法，可能将在连接量子计算机方面发挥巨大作用。研究成果发表在《自然》杂志上。

量子纠缠是量子世界特有的典型现象，不存在于所谓的古典世界，即支配人类日常生活的世界和物理定律中。当两个粒子发生纠缠时，其中一个粒子的特性可以通过观察另一个粒子来确定。该现象由爱因斯坦发现，如今被积极应用于量子密码学领域，以研发不可破译的密码。然而，不仅粒子会受纠缠的影响，辐射也会发生纠缠。本论文的第一作者 Shabir Barzanjeh，奥地利科学技术研究所 Fink 教授的博士后，正在研究这种现象。

Barzanjeh 解释说：“试想一个盒子有两个出口，如果两个出口发生纠缠，人们就可以通过观察其中一个出口发出的辐射得到另一个出口辐射的特性。”科学家早前就能制造出纠缠辐射，但这项研究第一次使用机械物体来产生纠缠辐射。

他们新制造出的硅束长 30 微米，由大约一万亿（10¹²）个原子组成，对肉眼来说这样的硅束可能很小，但在量子世界中它们的体型是相当巨大的。Barzanjeh 说：“我觉得这是个有趣的基础问题：能否利用如此巨型的系统来产生非经典辐射？现在我们知道答案是肯定的。”

不过该装置也有实用价值。机械振荡器可以在数据中心内外将极其敏感的量子计算机和联通它们的光纤连接起来。Barzanjeh 说：“我们建立的是一个量子连结的设计原型。”

在超导量子计算机中，电子元件只能在绝对零度（-273.15°C）以上千分之几度的极度低温下工作，因其运行基础——微波光子对噪声和损耗都极其敏感。如果量子计算机内的温度升高，所有的信息都会被破坏。同理，目前在量子计算机之间进行信息传输几乎是不可能的，因为传输过程中信息必须穿越高温环境，因而很难不被破坏。

另一方面，网络中的经典计算机通常通过光纤连接，因为光辐射对可能危及或损坏数据的干扰具有强抗扰能力。为了将这项成熟技术应用于量子计算机领域，我们必须建立连结，将量子计算机的微波光子转换成光学信息载体，或者研发一种能产生纠缠微波光场的设备，作为量子传送的源头。这种连结将成为室温光学世界和低温量子世界之间的桥梁，现在物理学家研发的这个设备就是迈向该目标的一步。Barzanjeh 说：“我们制造的振荡器使人们离量子互联网又近了一步。”

然而，这并不是该设备唯一的潜在应用。Shabir Barzanjeh 解释说：“我们的系统也可以用来提高引力波探测器的性能。” Johannes Fink 补充说：“我们发现，对这种稳态纠缠场的成功观测意味着产生它的机械振荡器必须是一个量子物体。这适用于任何类型的介质，且不需要对它进行直接观测。所以，我们的测量原理在未来将有助于验证或证伪其它难以探究的系统的潜在量子性质，例如有机体或引力场。”

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论文信息

[论文标题] Stationary entangled radiation from micromechanical motion
[论文作者] S. Barzanjeh, E. S. Redchenko, M. Peruzzo, M. Wulf, D. P. Lewis, G. Arnold & J. M. Fin
[发表时间] 2019年6月26日
[发表期刊] Nature
[论文链接] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1320-2
[论文编号] https://doi.org/10.1038/s41586-019-1320-2
[论文摘要] Mechanical systems facilitate the development of a hybrid quantum technology comprising electrical, optical, atomic and acoustic degrees of freedom1, and entanglement is essential to realize quantum-enabled devices. Continuous-variable entangled fields—known as Einstein–Podolsky–Rosen (EPR) states—are spatially separated two-mode squeezed states that can be used for quantum teleportation and quantum communication2. In the optical domain, EPR states are typically generated using nondegenerate optical amplifiers3, and at microwave frequencies Josephson circuits can serve as a nonlinear medium4,5,6. An outstanding goal is to deterministically generate and distribute entangled states with a mechanical oscillator, which requires a carefully arranged balance between excitation, cooling and dissipation in an ultralow noise environment. Here we observe stationary emission of path-entangled microwave radiation from a parametrically driven 30-micrometre-long silicon nanostring oscillator, squeezing the joint field operators of two thermal modes by 3.40 decibels below the vacuum level. The motion of this micromechanical system correlates up to 50 photons per second per hertz, giving rise to a quantum discord that is robust with respect to microwave noise7. Such generalized quantum correlations of separable states are important for quantum-enhanced detection8 and provide direct evidence of the non-classical nature of the mechanical oscillator without directly measuring its state9. This noninvasive measurement scheme allows to infer information about otherwise inaccessible objects, with potential implications for sensing, open-system dynamics and fundamental tests of quantum gravity. In the future, similar on-chip devices could be used to entangle subsystems on very different energy scales, such as microwave and optical photons.

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