研究 以轻快的速度前往量子互联网

研究人员展示了一种通过使用圆偏振光来翻转量子点上电子自旋态的长距离传输量子信息的新方法。这项工作可能会展示出一条完全安全的“量子互联网”。

由大阪大学领导的一个研究小组演示了如何将激光束的圆偏振中编码的信息转换成量子点中电子的自旋状态，每个都是量子比特和量子计算机候选者。这一成就代表了迈向“量子互联网”的重要一步，未来的计算机可以快速安全地发送和接收量子信息。

量子计算机有可能大大优于当前系统，因为它们以完全不同的方式工作。量子信息不是处理离散的零和零，而是存储在电子自旋中或由激光光子传输，可以同时叠加多个状态。而且，两个或更多个对象的状态可能会纠缠在一起，因此如果没有这个对象，就不能完全描述一个对象的状态。处理纠缠状态允许量子计算机同时评估许多可能性，以及从一个地方传送信息以免受窃听。

然而，这些纠缠状态可能非常脆弱，在失去连贯性之前只持续几微秒。为了实现量子互联网的目标，相干光信号可以在其上传递量子信息，这些信号必须能够与远程计算机内的电子自旋相互作用。

由大阪大学领导的研究人员利用激光通过改变被困在那里的单个电子的自旋状态，将量子信息发送到量子点。虽然电子在通常意义上不旋转，但它们确实具有角动量，当吸收圆偏振激光时可以翻转。

“重要的是，这个动作让我们在应用激光后读取电子的状态，以确认它处于正确的旋转状态，”第一作者Takafumi Fujita说。“我们的读出方法使用了Pauli排除原理，它禁止两个电子占据完全相同的状态。在微小的量子点上，如果有正确的自旋，电子只有足够的空间通过所谓的Pauli旋转阻塞“。

量子信息传输已用于加密目的。“叠加状态或纠缠态的转移允许完全安全的量子密钥分配，”资深作者Akira Oiwa说。“这是因为任何拦截信号的尝试都会自动破坏叠加，使得在没有被发现的情况下无法收听。”

单个自旋的快速光学操纵是用于生产量子纳米级通用计算平台的有前途的方法。令人兴奋的可能性是，未来的计算机可能能够将此方法用于许多其他应用，包括优化和化学模拟。

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