瞬间移动是真实存在的,只不过在量子世界中     DATE: 2020-07-09 10:14

“传送我(Beam me up)”是《星际迷航》系列最著名的口头语之一,这是当一个角色想要从一个遥远的地方传送回企业号星舰时所发出的命令。

虽然人类的瞬间移动还只存在于科幻小说当中,但在量子力学的亚原子世界中,瞬间移动是可能的——只不过不是电视上的那种典型描述方式。在量子世界中,瞬间移动涉及到的是信息的传输,而不是物质的传输。

科学家在去年已经证实,即使在没有物理连接的情况下,计算机芯片上的光子之间也可以传递信息。

而现在,根据罗切斯特大学和普渡大学的一项新研究,电子间的远距离传输或许也可以成为现实。

《自然通讯》(Nature Communications)上的一篇论文,以及即将发表在《物理评论X》(Physical Review X)上的一篇论文中,包括罗切斯特大学物理学助理教授约翰尼科尔(John Nichol)和罗切斯特大学物理学教授安德鲁乔丹(Andrew Jordan)在内的研究人员探索了在远距离电子间创造量子力学相互作用的新方法。这项研究是改进量子计算的关键一步,而量子计算通过提供更快、更高效的处理器和传感器,有可能彻底改变科学技术、医学和科学。

量子隐形传态证明了阿尔伯特·爱因斯坦著名的“鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance)”,也被称为量子纠缠。在量子纠缠中,即使两个粒子相距很远,一个粒子的性质会影响另一个粒子的性质。量子隐形传态涉及两个相隔遥远的,相互纠缠的粒子,其中一颗个粒子的状态会立即将其状态“传送”给另一颗纠缠的粒子。

量子隐形传态是量子计算中传输信息的重要手段。一台典型的计算机由数十亿个被称为比特的晶体管组成,而量子计算机会用量子比特(或量子位)来编码信息。比特只有一个二进制值,可以是“0”或“1”,但量子位可以同时是“0”和“1”。单个量子比特同时拥有多个状态的能力是量子计算机巨大潜力的基础。

Nichol说:“单个电子是很有前途的量子比特,因为它们很容易相互作用,而且半导体中的单个电子量子比特也是可扩展的。能够在远距离电子之间可靠地创造相互作用是量子计算的关键。”

然而,要制造跨越长距离的纠缠电子量子比特(这是远程传态所必需的)已经被证明具有挑战性:虽然光子可以自然地长距离传播,但电子通常会被限制在一个地方。

为了使用电子演示量子隐形传态,研究人员利用了一项基于海森堡交换耦合原理的新技术。单个电子就像一个带北极和南极的条形磁铁,可以向上或向下指。两极的方向——比如北极是向上还是向下——被称为电子的磁矩或量子自旋状态。如果某些粒子具有相同的磁矩,它们就不可能在同一时间出现在同一地点。也就是说,两个处于相同量子态的电子不能相互叠加。如果它们这样做了,它们的状态就会随着时间来回交换。

Nichol说:“我们为‘纠缠交换(entanglement swapping)’和‘量子门隐形传态(quantum gate teleportation)’提供了证据。在‘纠缠交换’中,我们在粒子从来没有相互作用的情况下,在两个电子之间制造了纠缠。而‘量子门隐形传态’则是利用隐形传态的潜在量子计算技术。我们的研究表明,即使没有光子,这也可以做到。”

这一研究结果为未来涉及所有物质(不仅仅是光子)自旋态的量子瞬间移动研究铺平了道路,并为量子比特半导体中单个电子的惊人潜力提供了更多证据。