以研制出首个光子路由装置,首次展示了光子路

2019-10-13 作者:新闻资讯   |   浏览(82)

设备的核心是一个可以在两种状态之间切换的原子。仅通过光纤从右侧或左侧发送单个粒子的光或光子来设置状态。作为响应,原子然后相应地反射或传输下一个入射光子。例如,在一种状态下,来自右侧的光子在其通向左侧的路径上继续,而来自左侧的光子向后反射,导致原子态翻转。在这种反转状态下,原子让来自左边的光子继续沿同一方向,而来自右边的任何光子都向后反射,再次将原子状态翻转回来。这种基于原子的开关仅由单光子操作

以色列魏茨曼研究所的科学家们近日研制出世界上首个光子路由装置。该光子路由装置是一种基于单个原子的量子装置,可以实现单光子路由功能。这项发布在《科学》杂志上的重大成果,标志着在构建量子计算机所面临的重重困难中,人类又向前迈进了一步。

  • 无需额外的外部场。

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示意图显示处在中心位置的橙色单个原子将黄色光子分配到不同方向的路径。

“从某种意义上说,该器件作为电子晶体管的光子等效物,可以切换电流以响应其他电流,”魏茨曼研究所量子光学组负责人巴拉克大雁博士说,包括伊塔什莫罗尼,谢尔盖罗森布鲁姆, 尤利亚洛夫斯基,加布里埃尔·古登德曼,化学系化学物理系。光子不仅是包含信息流的单元,还包括控制设备的单元。

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通过结合两种最先进的技术,这一成就成为可能。一个是激光冷却和原子捕获。另一种是制造基于芯片的超高质量微型光学谐振器,它们直接耦合到光纤。位于魏茨曼研究所的达扬实验室是世界上少数掌握这两种技术的实验室之一。

世界上首个光子路由装置。

开发量子计算机的主要动机是叠加的量子现象,其中粒子可以同时存在于许多状态,可能能够并行处理大量数据。然而,叠加只能在没有观察或测量系统的情况下持续,否则它会崩溃到单个状态。因此,光子是量子系统之间最有希望的通信候选者,因为它们根本不相互作用,并且与其他粒子的相互作用很弱。

该装置的核心是一个原子,它可以在两种状态之间切换。被设定的状态为,仅从光纤右边或左边发送单个光子,相应地,装置中心的原子将反射或者传导下一个传入的光子。比如,一个从右边过来的光子沿着自己的路径奔向左边,同时一个从左边过来的光子被反射回去,导致处在中心的原子快速翻转。完全相反的情形是,原子让左边过来的光子正常行进,一旦从右边来的光子逆流而至,这个原子又被快速翻转回来。这种原子基“开关”仅用单个光子就可操作,不需其他额外条件。

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“从某种意义上讲,这个光学设备类似于能控制电流开关的电子晶体管。”魏茨曼研究所量子光学课题组组长巴拉克·达洋博士说,光子不仅是构成信息流的单位,还具备控制设备的功能。

达扬:“构建量子计算机的道路仍然很长,但我们构建的设备展示了一个简单而强大的系统,该系统应适用于此类计算机的任何未来架构。在目前的演示中,单个原子用作光子的晶体管

物理学家组织网7月15日(北京时间)报道称,取得这项成果需要充分结合世界上两个最先进的技术。一个是激光制冷和原子捕获技术,另一个是基于芯片和超高品质的微型光学谐振器的制造技术,二者直接结合起来能制备出符合实验要求的光纤。达洋实验室所在的魏茨曼研究所,是世界范围内少有的能同时熟练掌握这两种技术的研究所之一。

  • 或双向开关 - 但在我们未来的实验中,我们希望扩展仅适用于光子的器件类型,例如新型量子存储器或逻辑门。“

在研发量子计算机所做的各种努力中,最主要的动力来源于客观存在的量子“叠加态”,这是粒子以不同形态同时存在的一种状态,拥有并行处理巨型数据库的潜能。而且,叠加态的无限期存在,能持续对系统进行监控和测量,防止计算机崩溃。因为量子系统之间完全没有交往,量子系统与其他粒子系统的互动也微乎其微,所以,光子是量子系统之间通信最有前途的候选对象。

达洋博士说:“构建量子计算机的道路仍然很长,我们建造的设备演示了一个简单实用的系统,可以应用于所有未来量子计算机的建构。在目前的演示中,单个原子可以做晶体管,也可以做光子间的双向开关,但是在接下来的实验中,我们希望扩展这种单独作用于光子的设备种类,比如新型光子存储器或者逻辑门等。”

圈点

牛顿曾经设想光是一束微粒,光像小球一样被平板反射回去,他肯定没想到,三百年后,人们已将单个光子把玩于股掌之中,如同拨弄一颗玻璃弹球。科学家用的“球拍”是一个原子,光子从它那里通过或者反弹,是完全可预料的和可操纵的,如此精细的装置,真可谓巧夺天工。在此类最基础的量子光学元件的基础上,我们未来将拼装出一台量子计算机。它只发光,不发热,呵一口气的能量,就能让它在一块头皮屑大小的工作空间里,轻松胜过现在的超级计算机。

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