Only Perception: 科學家首次證明原子系綜間的量子遙傳

2013-02-19

科學家首次證明原子系綜間的量子遙傳

Quantum teleportation between atomic ensembles demonstrated for first time
http://phys.org/news/2012-11-quantum-teleportation-atomic-ensembles.html

By Lisa Zyga, November 19, 2012

(Phys.org) -- 量子通訊的關鍵元件之一是量子遙傳（quantum teleportation，量子遠距傳輸），這種技術不需要實際物理載體的傳輸就能量子態傳送到遠處。量子遙倚賴糾結（entanglement），而且到目前為止只在單個光子、一個光子與物質以及單個離子之間證明過。現在，物理學家首度透過糾結二個遠距巨觀的原子系綜（atomic ensembles，原子集成，譯註 super atoms 也是一種原子系綜），每個半徑約 1 mm，來證明量子遙傳。

這些研究者，由中國科學技術大學（University of Science and Technology of China）合肥微尺度物質科學國家實驗室（Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale）的潘建偉教授（Jian-Wei Pan）所領導，與德國 Heidelberg 大學，以「Quantum teleportation between remote atomic-ensemble quantum memories」為題，在最近一期 PNAS 上發表了他們的論文。

如物理學家的解釋，二原子系綜之間的量子遙傳，無疑領先先前各類遙傳示範。

"二光子間的遙傳早已被證明（首次是在 1997 年），" 合肥微尺度物質科學國家實驗室與中國科學技術大學近代物理系的共同作者 Chao-Yang Lu 表示。"光子的問題在於它總是在傳播（traveling）。你得要留住它以便進行有用的量子資訊處理（在此例中，我們稱它是一個「keeper（停駐者）」）。" 相較於受陷離子（trapped ion）實驗，原子系綜的優勢之一是它們有高出許多的成功率。

在此完成的量子遙傳實驗裡，二個原子系綜各由大約 1 億個銣（rubidium）原子構成，且由一條 150 M 的光纖連接，不過在實驗室中，原子系綜實際上上相隔約半公尺。由於原子系綜能將光子的量子位元（qubits）儲存在其靜止物質系統（stationary matter system）中，故其作用如同量子記憶體（quantum memories）。除了量子遙傳之外，量子記憶體是量子通訊中另一個關鍵元件。

在實驗中，科學家證明他們能將集體原子激發（或自旋波狀態）從一個系綜遙傳到另一個。為了辦到這件事，他們首先將第一個原子系綜的自旋波狀態映射到一個傳播中的光子，接著對該光子以及第二個光子（已與第二個原子系綜的物質波狀態糾結）進行 Bell 態測量（Bell state measurements）。一旦這二個光子被投射到某個（已糾結的） Bell 態，量子資訊即遙傳到第二個原子系綜。

為驗證第一個原子系綜的自旋波狀態確實因已糾結之原子系綜而經光子遙傳，研究者利用光子讀取原子態，並使用偵測器測量內嵌在光子內的量子資訊。結果證明，遙傳有 88% 的時間會成功，不完美之處主因受限於造成干擾的高階激發（high-order excitations，高次激發）與背景激發。

"我們認為我們的研究從二觀點來看很有趣，" Lu 表示。"首先，這是頭一個涉及二巨觀物體的首次量子遙傳。日益複雜物體的量子遙傳，很明顯是一個長久以來受到歡迎的夢想，尤其是，譬如 Star Trek 的超級粉絲。當然，我們注意到，在我們目前的實驗中，雖然涉及約 1 億個原子，但實際上被遙傳的量子資訊，即它們的集體激發（自旋波），只有一個量子位元。"

"第二，從更實際的觀點來看，量子記憶節點間的遙傳也許有可能是未來量子網路中一個有作用的模組，用以交換與傳送資訊。一個類似的實驗也曾以單個受陷離子進行過。但我們的實驗卻以更高的成功率（四個數量級）為其特色。"

研究者解釋，要達成二原子系綜之間的遙傳，涉及了許多先進的技術。

"目前的實驗結合了原子物理學實驗中所開發的最新技術，包括以磁光阱（magneto-optical trap）製備冷原子系綜，控制光與原子間的交互作用，單光子操縱、過濾與偵測，以及新開發的、具回饋控制的通報式狀態預備（heralded state preparation with feedback control）以及量子態遙傳，" Lu 表示。

為了將量子遙傳擴展至數個多個量子系綜，原子系綜內，自旋波狀態的儲存壽命必定要從目前的 129 微秒增加。研究者希望利用光學晶格（optical lattices）來侷限原子運動，藉此將壽命增加到 100 毫秒。這樣的改良將替大型量子網路鋪路，那倚賴量子遙傳來交換量子資訊。

※ 相關報導：

＊ Quantum teleportation between remote atomic-ensemble quantum memories
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1207329109