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芝加哥大學分子工程研究所科學家們在發展量子技術的探索中取得了兩個突破。在一項研究中，他們首次使用聲音糾纏了兩個量子比特；在另一項研究中建立了迄今為止質量最高的兩個量子位元之間的遠距離連接。這項研究工作讓我們離利用量子技術制造更強大的計算機、超敏感傳感器和安全傳輸又近了一步。該研究的合著者、IME和芝加哥大學附屬阿貢國家實驗室分子工程學老約翰·a·麥克林教授安德魯·克萊蘭說：這兩項技術都是量子通信領域的革命性進步！
作為超導量子技術發展的領導者，研究團隊建造了第一臺“量子機器”，在一個機械諧振器中展示了量子性能。其中一個實驗展示了我們現在可以達到的精度和準確度，另一個實驗展示了這些量子位元的一種基本新能力。科學家和工程師們看到了量子技術的巨大潛力。量子技術利用自然界粒子的奇特特性來操縱和傳輸信息。例如，在某些條件下，兩個粒子可以“糾纏”——即使它們沒有物理上的聯系，但它們的命運也是相連的。纏繞粒子可以讓你做各種各樣很酷的事情，比如把信息瞬間傳送到太空，或者建立一個不可破壞的網絡。
分子工程研究所的研究人員致力于超導量子技術。圖片：Nancy Wong
但是這項技術還有很長的路要走——確切地說：一個巨大的挑戰是沿著電纜或光纖發送量子信息，無論距離有多遠。發表在《自然物理》上的一項研究中，克萊蘭實驗室利用超導量子位元構建了一個系統，該系統可以沿著一條近一米長的軌道交換量子信息，具有極高的可信度——此前已經證明，該系統的性能要高得多。克萊蘭研究組的研究生、論文第一作者鐘友鵬(音譯)說：這種耦合是如此之強，以至于我們可以證明一種叫做‘量子乒乓’的量子現象——當單個光子反彈回來時，發射并捕捉它們。
博士后研究員Audrey Bienfait(左)和研究生Youpeng Zhong在芝加哥大學分子工程研究所Andrew Cleland教授的實驗室工作。圖片（同下圖）：Nancy Wong
科學家突破之一是制造出正確的設備來發送信號，關鍵是要把脈沖正確地塑造成弧形，就像以正確的速度緩慢地打開和關閉閥門一樣。這種“節流”量子信息的方法幫助他們獲得了如此清晰的信息，以至于該系統可以通過一個被稱為“貝爾測試”的量子糾纏金標準測量。這是超導量子位元的首次應用，它可以用于建造量子計算機以及量子通信。另一項研究發表在《科學》(Science)上，展示了一種利用聲音糾纏兩個超導量子位元的方法。科學家和工程師在推進量子技術過程中面臨的一個挑戰是，如何將量子信號從一種介質轉換成另一種介質。
例如，微波光非常適合在芯片內部攜帶量子信號，但不能通過空氣中的微波發送量子信息，信號被淹沒了。研究小組建立了一個系統，可以將量子位元的微波語言轉換成聲波，并讓它穿過芯片——使用另一端的接收器進行反向轉換。這項研究的第一作者、博士后研究員奧德麗·比恩費特(Audrey Bienfait)說：這需要一些創造性的工程技術，微波和聲學不是朋友，所以我們必須把它們分別放在兩種不同的材料上，然后把它們疊在一起。但現在我們已經證明這是可能的，它為量子傳感器開啟了一些有趣的新可能性。
博科園-科學科普｜研究/來自: 芝加哥大學
參考期刊文獻:《Science》,《Nature Physics》
DOI: 10.1038/s41567-019-0507-7
DOI: 10.1126/science.aaw8415
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