通常的量子效應(yīng)需要在幾個(gè)原子間距且需要在低溫或真空中才能實(shí)現(xiàn)，來自瑞士的科學(xué)家首次在室溫下實(shí)現(xiàn)了一米遠(yuǎn)距離的量子傳輸，這一結(jié)果發(fā)表在近期發(fā)表的《Science》上。

研究人員首次實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)距離量子系統(tǒng)之間建立了強(qiáng)耦合。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們采用一種新穎的辦法，通過一個(gè)激光循環(huán)來連接系統(tǒng)，使得信息交換時(shí)的損失幾乎沒有，而且他們之間還存在非常強(qiáng)烈的相互作用。這一研究成果被來自瑞士巴塞爾大學(xué)的科學(xué)家及其合作者漢諾威大學(xué)的研究人員發(fā)表在近期的美國《Science》雜志上。在該雜志的報(bào)道中，他們提到，這一新的方法為量子網(wǎng)絡(luò)的新的傳輸和傳感技術(shù)新的應(yīng)用開辟了新的無限可能。

一個(gè)激光循環(huán)光連接納米機(jī)械膜和原子云的自旋 圖片來源：巴塞爾大學(xué)

量子技術(shù)是當(dāng)前世界上研究作為活躍和前沿的領(lǐng)域之一。該技術(shù)綜合了原子、光和納米結(jié)構(gòu)的 量子機(jī)械狀態(tài)的特殊性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，舉例來說，用于先進(jìn)醫(yī)療和現(xiàn)代導(dǎo)航的傳感器、信息處理所用的網(wǎng)絡(luò)和材料科學(xué)中所用的強(qiáng)大的模擬裝置，都需要這一技術(shù)的有力支撐。產(chǎn)生滿足我們所需要的量子狀態(tài)通常需要系統(tǒng)之間能夠發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。發(fā)生這一相互作用之間的距離通常在幾個(gè)原子和納米結(jié)構(gòu)之間的范圍內(nèi)。

然而，比較遺憾的是，直到今天，足夠充分且有效的強(qiáng)相互作用發(fā)生的距離太短。典型的距離一般發(fā)生在兩個(gè)系統(tǒng)靠的非常近，幾乎在在同一個(gè)芯片上，同時(shí)還需要在足夠低的溫度下或者是在真空的環(huán)境下才能發(fā)生。他們之間的相互作用也是通過靜電或者靜電磁力發(fā)生作用。如果兩個(gè)系統(tǒng)之間的距離太遠(yuǎn)，現(xiàn)有的技術(shù)就 不能滿足。但實(shí)際上我們所需要的多數(shù)應(yīng)用，如量子通信或某些特殊場(chǎng)合所用的通訊傳感器，都是需要在遠(yuǎn)距離的情形下使用。所以實(shí)用化的量子通信必須要能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸才行。

一個(gè)來自瑞士的巴塞爾大學(xué)物理系教授 Philipp Treutlein團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，已經(jīng)成功的首次實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離的情況下在兩個(gè)系統(tǒng)之間建立起強(qiáng)烈的相互作用。這一實(shí)驗(yàn)在是在室溫的條件下完成的。在他們的研究實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用激光來耦合100納米厚度的薄膜的振動(dòng)，使原子的自旋轉(zhuǎn)在一米遠(yuǎn)的距離上產(chǎn)生了量子效應(yīng)。結(jié)果，薄膜的每一波動(dòng)都可以促成原子自旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，反過來也能如此。

目前研究人員已經(jīng)首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他們的設(shè)想。采用激光來實(shí)現(xiàn)量子系統(tǒng)的耦合非常靈活和方便，Treutlein說道。我們可以在系統(tǒng)之間非常靈活的控制激光，這樣可以讓我們利用不同類型的發(fā)生器和激光來產(chǎn)生不同類型的相互作用，從而制作出不同類型的傳感器。

除了在納米機(jī)械薄膜中的原子耦合之外，這一新的方法也有可能應(yīng)用在系統(tǒng)系統(tǒng)當(dāng)中。如耦合超導(dǎo)量子比特;或用于量子計(jì)算研究所用的固態(tài)自選系統(tǒng)。這一光-媒介耦合新技術(shù)可以應(yīng)用于如下系統(tǒng)的相互連接，如用于信息處理和數(shù)值模擬的量子網(wǎng)絡(luò)通訊的建立。Treutlein 深信，這一新的，高度有用的工具可以成為我們量子技術(shù)應(yīng)用的好工具。

未來的全球量子計(jì)算機(jī) 來自：Delft University of Technology

量子信息傳輸圖 來源：Joerg Bochmann & Amit Vainsencher, UCSB

參考文獻(xiàn)：

1.Joerg Bochmann, et al., “Nanomechanical coupling between microwave and optical photons,” Nature Physics, 2013; doi:10.1038/nphys2748

2.“Microwave-to-optics conversion using a mechanical oscillator in its quantum ground state” by Moritz Forsch, Robert Stockill, Andreas Wallucks, Igor Marinkovi, Claus Grtner, Richard A. Norte, Frank van Otten, Andrea Fiore, Kartik Srinivasan and Simon Grblacher, 7 October 2019, Nature Physics.

DOI: 10.1038/s41567-019-0673-7

3.“Gallium phosphide as a piezoelectric platform for quantum optomechanics” by Robert Stockill, Moritz Forsch, Grégoire Beaudoin, Konstantinos Pantzas, Isabelle Sagnes, Rémy Braive and Simon Grblacher, 20 September 2019, Physical Review Letters.

來源：

Light-mediated strong coupling between a mechanical oscillator and atomic spins 1 meter apart，Thomas M. Karg, Baptiste Gouraud, Chun Tat Ngai, Gian-Luca Schmid, Klemens Hammerer, Philipp Treutlein,