能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的一个团队进行了一系列实验，以更好地了解量子力学，并寻求量子网络和量子计算方面的进步，这可能会导致网络安全和其他领域的实际应用。
ORNL量子研究人员Joseph Lukens，Pavel Lougovski，Brian Williams和Nicholas Peters，以及来自哥伦比亚普渡大学和佩雷拉技术大学的合作者 ，在光学学会的《光学与光学》特刊中总结了他们最近几篇学术论文的结果。光子学新闻》(Photonics News)展示了2019年与光学相关的研究中最重要的一些结果。他们的参赛作品是从91个库中选择出版的30种之一。
常规计算机的“位”值为0或1，但称为“量子位”的量子位可以存在于标记为0和1的量子状态的叠加中。这种能力使量子系统有望用于传输，处理，存储和存储。以前所未有的速度加密大量信息。
为了研究光子(可以充当量子位的单个光粒子)，研究人员采用了称为量子光学频率梳的光源，该光源包含许多精确定义的波长。由于它们以光速行进并且不与周围环境相互作用，因此光子是用于长距离传输量子信息的自然平台。
众所周知，光子之间的相互作用很难诱导和控制，但是这些功能对于有效的量子计算机和量子门是必不可少的，量子计算机和量子门是在量子位上工作的量子电路。无用的或不可预测的光子相互作用使双光子量子门比标准的单光子门更难开发，但研究人员在应对这些挑战的最新研究中取得了几个主要里程碑。
例如，他们对光学研究中使用的现有电信设备进行了调整，以针对量子光子学进行优化。他们的结果揭示了使用这些资源进行传统通信和量子通信的新方法。
卢肯斯说：“使用这种设备操纵量子态是所有这些实验的技术基础，但是我们并不希望能够朝着另一个方向发展并通过致力于量子通信来改善经典通信。” “随着我们对这个研究领域的深入研究，这些有趣而出乎意料的发现已经出现。”
一种这样的工具，即分束器，将单个光束分成两个频率或颜色的光。
卢肯斯说：“想象一下，有一束光通过一根具有特定频率的光纤，例如红色。” “然后，在通过分束器之后，光子将以两个频率离开，因此它将同时是红色和蓝色。”
该小组的成员是第一批成功地使用标准光波通信技术设计量子频率分束器的研究人员。该设备同时吸收红色和蓝色光子，然后以红色或蓝色频率产生能量。通过使用这种方法故意改变光子的频率，该团队基于量子干扰(这种现象是光子干扰自己的轨迹)欺骗了顽固的粒子进行有益的相互作用。
Lougovski说：“事实证明，现成的设备可以在单光子水平上提供令人印象深刻的控制，这是人们所不知道的。”
此外，研究人员还完成了频率三振器的第一个演示，该演示将光束分成三个不同的频率，而不是两个。他们的结果表明，多个量子信息处理操作可以同时运行，而不会引入错误或损坏数据。
团队的另一项重要成就是该团队设计并演示了基于重合的受控NOT门，该门可使一个光子控制另一个光子的频移。该设备完成了通用量子门装置，这意味着任何量子算法都可以表示为这些门内的序列。
Lougovski说：“与任何经典计算相比，量子计算应用程序需要的控制水平要高得多。”
该团队还以单个光子内的多个独立值(称为自由度)对量子信息进行编码，这使他们无需两个单独的粒子即可观察类似于量子纠缠的效应。纠缠通常涉及两个链接的粒子，其中对一个粒子的状态所做的更改也适用于另一个粒子。
最后，研究人员完成了对现实世界中物理问题的量子模拟。他们正在与空军研究实验室的科学家合作，开发与微型电子学中常见的相似的微型专用硅芯片，以追求更高的光子性能。
卢肯斯说：“从理论上讲，我们可以将所有这些操作整合到一个光子芯片上，我们看到在这个新平台上进行类似量子实验的巨大潜力。” “这是真正推动这项技术向前发展的下一步。”
未来的量子计算机将使科学家能够模拟难以置信的复杂科学问题，即使在超级计算机上，也无法在当前系统上进行研究。同时，研究小组的发现可以帮助研究人员将光子系统嵌入当前的高性能计算资源中。
“我们拥有一支非常多元化和才华横溢的团队，”卢戈夫斯基说。“最重要的是我们正在取得成果。”
这项研究由ORNL的实验室指导研究与开发计划资助。