日本科學家成功在鑽石內部傳送量子資訊

鑽石結構(圖:Yokohama National University)

橫濱國立大學(Yokohama National University)的研究人員成功在鑽石結構內傳送量子資訊。這項研究對於量子資訊科技,也就是未來重要資訊如何分享及儲存具有重大意義。

量子遙傳

橫濱國際大學工程學教授小坂秀夫表示:「量子遙傳(quantum teleportation)允許將量子資訊傳至一個原本無法進入的空間。它也允許將資訊傳輸至量子記憶體中,而不會洩露或破壞已儲存的量子資訊。」

在這篇研究中,所謂無法進入的空間,指得是鑽石中的碳原子。鑽石是由彼此連結的碳原子組成,但這些碳原子又各自含有碳原子,使其成為量子遙傳的完美材料。

鑽石結構

一個碳原子在原子核中有六個質子和六個中子,並且周圍圍繞六個電子。當碳原子鍵結到鑽石上時,會形成堅固的晶格。但是,若氮原子存在於應填滿碳原子的兩個相鄰空缺的其中之一時,鑽石會產生很複雜的缺陷,這個缺陷稱為氮原子空缺中心(nitrogen-vacancy center)。由於被碳原子圍繞,氮原子的原子核結構形成了一個小坂教授所謂的「奈米磁鐵」。

為了操控在空缺中的電子及碳同位素,小坂教授及其團隊將僅人類頭髮 1/4 寬的電線接到鑽石的表面上。接著,他們將微波及無線電波施加於電線上,以在鑽石周圍產生振盪磁場,並調整微波以產生在鑽石內傳遞量子資訊的最佳控制條件。

研究團隊接著使用氮的奈米磁鐵來固定電子。藉由微波及無線電波,讓電子自旋與碳原子核自旋,也就是電子與碳原子核的角動量產生糾纏。電子自旋在奈米磁鐵產生的磁場下會崩解,使其容易產生糾纏。一旦兩個粒子產生糾纏,也就是其物理性質糾纏在一起,以致於無法單獨描述時,會施加一顆帶有量子資訊的光子,而電子會吸收該光子。這種吸收讓光子的偏振態得以傳輸到碳原子,進而被糾纏態電子所調節,表現出量子等級的資訊遙傳。

未來應用

小坂教授表示:「將光子成功儲存在另一個節點,建立了兩個相鄰節點間的糾纏。該過程被稱作量子中繼器,可以在量子場中將單個資訊塊從一個節點送到另一個節點。我們的最終目標是要實現可規模化的量子中繼器,應用於長距離量子通訊,並實現用於大規模量子運算及計量學上的分散式量子電腦。」

參考資料:

  1. News Release, (2019, June 28). Researchers teleport information within a diamond. EurekAlert
  2. Kazuya Tsurumoto, K., et al., (2019, June 28). Quantum teleportation-based state transfer of photon polarization into a carbon spin in diamond. Communications Physics
黃威翔
黃威翔 108 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。

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