Only Perception: 量子電腦：在微晶片上傳遞量子資訊的量子天線

2011-02-24

量子電腦：在微晶片上傳遞量子資訊的量子天線

Quantum computer - tune in now: Atomic antennae transmit quantum information across microchip
http://www.physorg.com/news/2011-02-quantum-tune-atomic-antennae.html

February 23, 2011

(PhysOrg.com) -- 由物理學家 Rainer Blatt 所領導的澳洲研究小組為量子計算提出一種全新架構。他們已實驗性地示範量子天線（quantum antennae），位在同一個電腦晶片上的二個分離的記憶單元（memory cells）之間能夠交換量子資訊。這提供新機會來建立實用的量子電腦。研究者已將他們的研究發表在科學期刊 Nature 上。

六年前，Innsbruck 大學的科學家實現了第一個量子位元組（quantum byte） -- 一部具有八個糾結量子粒子的量子電腦；那仍是一項紀錄。"不管怎樣，為了要製造一部實用的、能完成運算的量子電腦，我們需要更多量子位元，" Rainer Blatt 教授表示，他及其在實驗物理研究所的研究團隊，在一個電磁離子阱中創造出第一個量子位元組。"在這些阱中，我們無法使大量的離子連貫起來（string together）並同步控制它們。"

為了解決此問題，科學家根據一套有許多小暫存器（registers，那得要連起來）的系統，開始設計一部量子電腦。 Innsbruck 量子物理學家為了辦到這件事，現在基於一個由理論物理學家 Ignacio Cirac 與 Peter Zoller 所構思的概念，開發出一套革命性方法。在他們的實驗中，物理學家在電磁上耦合二群距離約 50 微米的離子。在此，粒子的運動充當天線。"粒子如電視天線之天線桿中的電子那樣振盪，也因而產生了電磁場，" Blatt 解釋。"如果其中一個天線調整至與另一個一樣，接收端就能拾取傳送者的訊號，那導致耦合。" 在此過程中發生的能量交換能成為量子電腦基本運算操作的基礎。

天線擴大傳輸

"我們以非常簡單的方法實作這個新概念，" Rainer Blatt 解釋。在一個微型化的離子阱中有個雙位能井（double-well potential）被創造出來，那陷住鈣離子。二個位能井相隔 54 微米。"透過施加一電壓到離子阱的電極，我們能夠使離子的振盪頻率相符，" Blatt 說。"這導致一種耦合過程以及能量交換，那能用來傳輸量子資訊。" 在量子層次上，二機械性振盪的直接耦合前所未見。此外，科學家證明，能藉由在每個位能井中使用更多離子使耦合放大。

"這些額外的離子作用如同天線，且增加傳輸的距離與速度，" Rainer Blatt 說，他對於這項新概念感到振奮。這項研究為全功能量子電腦的建造構造出一套有希望的方法。"這項新技術提供了散布量子糾結的可能性。在同一時間下，我們能個別地瞄準每一個記憶單元，" Rainer Blatt 解釋。這套新量子電腦能基於一個具有許多微型（離子）阱的晶片，在此，離子透過電磁耦合彼此溝通。這種新方法代表了朝「以實用量子技術進行資訊處理」跨出重要的一步。

※ 相關報導：

＊ Trapped-ion antennae for the transmission of quantum information
http://dx.doi.org/10.1038/nature09800

M. Harlander, R. Lechner, M. Brownnutt, R. Blatt, W. Hansel
Nature 2011
doi: 10.1038/nature09800

For quantized electromagnetic oscillations, atoms in cavities can be used to couple electric fields. However, a quantum mechanical link between two mechanical oscillators (such as cantilevers or the vibrational modes of trapped atoms or ions) has been rarely demonstrated and has been achieved only indirectly. Examples include the mechanical transport of atoms carrying quantum information or the use of spontaneously emitted photons. Here we achieve direct coupling between the motional dipoles of separately trapped ions over a distance of 54 micrometres, using the dipole–dipole interaction as a quantum mechanical transmission line. This interaction is small between single trapped ions, but the coupling is amplified by using additional trapped ions as antennae. With three ions in each well, the interaction is increased by a factor of seven compared to the single-ion case. This enhancement facilitates bridging of larger distances and relaxes the constraints on the miniaturization of trap electrodes. The system provides a building block for quantum computers and opportunities for coupling different types of quantum systems.