能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的一個團隊進行了一系列實驗，以更好地了解量子力學，并尋求量子網(wǎng)絡和量子計算方面的進步，這可能會導致網(wǎng)絡安全和其他領域的實際應用。

ORNL量子研究人員Joseph Lukens，Pavel Lougovski，Brian Williams和Nicholas Peters，以及來自哥倫比亞普渡大學和佩雷拉技術大學的合作者 ，在光學學會的《光學與光學》特刊中總結了他們最近幾篇學術論文的結果。光子學新聞》(Photonics News)展示了2019年與光學相關的研究中最重要的一些結果。他們的參賽作品是從91個庫中選擇出版的30種之一。

常規(guī)計算機的“位”值為0或1，但稱為“量子位”的量子位可以存在于標記為0和1的量子狀態(tài)的疊加中。這種能力使量子系統(tǒng)有望用于傳輸，處理，存儲和存儲。以前所未有的速度加密大量信息。

為了研究光子(可以充當量子位的單個光粒子)，研究人員采用了稱為量子光學頻率梳的光源，該光源包含許多精確定義的波長。由于它們以光速行進并且不與周圍環(huán)境相互作用，因此光子是用于長距離傳輸量子信息的自然平臺。

眾所周知，光子之間的相互作用很難誘導和控制，但是這些功能對于有效的量子計算機和量子門是必不可少的，量子計算機和量子門是在量子位上工作的量子電路。無用的或不可預測的光子相互作用使雙光子量子門比標準的單光子門更難開發(fā)，但研究人員在應對這些挑戰(zhàn)的最新研究中取得了幾個主要里程碑。

例如，他們對光學研究中使用的現(xiàn)有電信設備進行了調(diào)整，以針對量子光子學進行優(yōu)化。他們的結果揭示了使用這些資源進行傳統(tǒng)通信和量子通信的新方法。

盧肯斯說：“使用這種設備操縱量子態(tài)是所有這些實驗的技術基礎，但是我們并不希望能夠朝著另一個方向發(fā)展并通過致力于量子通信來改善經(jīng)典通信。” “隨著我們對這個研究領域的深入研究，這些有趣而出乎意料的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)。”

一種這樣的工具，即分束器，將單個光束分成兩個頻率或顏色的光。

盧肯斯說：“想象一下，有一束光通過一根具有特定頻率的光纖，例如紅色。” “然后，在通過分束器之后，光子將以兩個頻率離開，因此它將同時是紅色和藍色。”

該小組的成員是第一批成功地使用標準光波通信技術設計量子頻率分束器的研究人員。該設備同時吸收紅色和藍色光子，然后以紅色或藍色頻率產(chǎn)生能量。通過使用這種方法故意改變光子的頻率，該團隊基于量子干擾(這種現(xiàn)象是光子干擾自己的軌跡)欺騙了頑固的粒子進行有益的相互作用。

Lougovski說：“事實證明，現(xiàn)成的設備可以在單光子水平上提供令人印象深刻的控制，這是人們所不知道的。”

此外，研究人員還完成了頻率三振器的第一個演示，該演示將光束分成三個不同的頻率，而不是兩個。他們的結果表明，多個量子信息處理操作可以同時運行，而不會引入錯誤或損壞數(shù)據(jù)。

團隊的另一項重要成就是該團隊設計并演示了基于重合的受控NOT門，該門可使一個光子控制另一個光子的頻移。該設備完成了通用量子門裝置，這意味著任何量子算法都可以表示為這些門內(nèi)的序列。

Lougovski說：“與任何經(jīng)典計算相比，量子計算應用程序需要的控制水平要高得多。”

該團隊還以單個光子內(nèi)的多個獨立值(稱為自由度)對量子信息進行編碼，這使他們無需兩個單獨的粒子即可觀察類似于量子糾纏的效應。糾纏通常涉及兩個鏈接的粒子，其中對一個粒子的狀態(tài)所做的更改也適用于另一個粒子。

最后，研究人員完成了對現(xiàn)實世界中物理問題的量子模擬。他們正在與空軍研究實驗室的科學家合作，開發(fā)與微型電子學中常見的相似的微型專用硅芯片，以追求更高的光子性能。

盧肯斯說：“從理論上講，我們可以將所有這些操作整合到一個光子芯片上，我們看到在這個新平臺上進行類似量子實驗的巨大潛力。” “這是真正推動這項技術向前發(fā)展的下一步。”

未來的量子計算機將使科學家能夠模擬難以置信的復雜科學問題，即使在超級計算機上，也無法在當前系統(tǒng)上進行研究。同時，研究小組的發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員將光子系統(tǒng)嵌入當前的高性能計算資源中。

“我們擁有一支非常多元化和才華橫溢的團隊，”盧戈夫斯基說。“最重要的是我們正在取得成果。”

這項研究由ORNL的實驗室指導研究與開發(fā)計劃資助。