科学家为光子量子模拟器开发出广阔前景

尼尔斯-玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的科学家与明斯特大学（University of Münster）和波鸿鲁尔大学（Ruhr-Universität Bochum）合作，开发出了能够处理量子系统产生的大量信息的新技术。他们成功地将确定性单光子光源（能以难以置信的高速度和速率产生量子比特）与特制的集成光子电路连接起来。这些电路可以有效、快速地处理量子信息，而不会降低易受影响的量子态。 sj?`7kg  
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可编程芯片用于处理单光子传输的量子信息。每个粉红色小点代表一个单光子，它们之间的联系代表量子纠缠--这是不同光子之间共享量子信息的方式 图片来源：Stefano Paesani KY;uO 8Te  
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这一突破为创造光子量子设备铺平了道路，这些设备可以分析和模拟复杂的量子系统，例如生物分子的振动动力学。这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。 HMl!?%%  
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哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所的 Peter Lodahl 教授和量子光子学研究小组在这一领域已经工作了近二十年。简而言之，就是利用单光子（光的最小部分）来编码量子信息。这是一个快速发展的领域，2022 年秋天就展示了单光子加密通信链路，最近对衍生企业 Sparrow Quantum 的投资也创下了纪录。实现这一切的核心是该小组多年来开发和改进的光子源。目前，这些光子源具有无与伦比的控制、精度和质量，为量子技术的新研发打开了大门。 oP 6.t-<dU  
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一提到"量子"这个词，人们往往就会联想到"计算机"，一个极其强大的计算平台，具有处理复杂问题的能力。 ^!-E`<jW8  
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彼得-洛达尔说，与这一成果相关的工作指明了他们称之为"量子模拟器"的方向。量子模拟器是一种特殊用途的计算机，通过处理经典计算机难以处理的量子信息（量子比特）来模拟量子系统。这项成果的主要研究人员之一斯特凡诺-派萨尼（Stefano Paesani）说："量子信息的处理要求经典计算机的处理能力在量子比特数量增加时呈指数增长。这意味着，即使是相当简单的量子力学问题，也无法在经典计算机上解决" Rh05W_?Js  
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处理量子信息意味着什么？ 这就是跨学科元素的关键所在。 Q6e'0EIKC  
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在诺和诺德基金会项目"用于生物化学的固态量子模拟器（SolidQ）"的框架内，光子在光子电路中相互作用，可以用来描述生物化学过程的特征。可以利用一个系统（光子）来了解另一个系统（生物分子），因为光子量子模拟器可以处理描述该系统的复杂量子信息。挑战之一在于理解两个复杂量子系统之间的联系。 gdkLPZ<<  
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量子模拟器依赖于不同量子系统之间的一致性，可以通过研究一个系统来了解另一个系统，也就是说，你可以将一个系统"映射"到另一个系统。然而，对复杂系统的初步了解至关重要。例如，光子和分子的振动动力学之间存在着一种自然的映射： 彼得-洛达尔说："当分子振动时，它的演变是由描述通过电路发送光子的相同量子力学运算来描述的。" \Nh^Ig
 
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目前的研究工作面临的挑战是如何处理以光速飞逝的大量光子。处理速度必须非常快，而且不能有任何损失。不能出现太多错误。 fwar8 i1  
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在过去的两年里，这些研究小组与明斯特大学合作，开发出了能够处理来自光子源的量子比特的光子电路，并使这两个系统完美地结合在一起。诺和诺德基金会的 SolidQ 项目一直致力于优化光子的处理过程。 =DQdPA\K  
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与明斯特的合作是一个很好的例子，说明研究界已经迈出了第一步。随后，他们制定了技术升级的"路线图"，合作中成功地实现的光子电路其效率和速度足以跟上光子源，也就是说应用之门正在打开。