自然界中最小的部分（例如像電子這樣的單個(gè)粒子）幾乎是可以互換的。電子不管它是被困在地球上的實(shí)驗(yàn)室里，還是束縛在一些月球塵埃中的原子上，或者是從過熱噴流銀河系外黑洞射出的。

然而在實(shí)踐證明中，能量、運(yùn)動或位置的差異可以使區(qū)分兩個(gè)電子變得容易。測試像電子這樣的粒子相似性，一種方法是在相同時(shí)間和地點(diǎn)將它們聚集在一起，并尋找干涉，即當(dāng)粒子(也可以表現(xiàn)為像波)相遇時(shí)產(chǎn)生的量子效應(yīng)。

這種干涉對于從量子物理的基礎(chǔ)測試，到量子計(jì)算機(jī)快速計(jì)算的一切都很重要，但創(chuàng)造這種干擾需要對難以區(qū)分的粒子進(jìn)行精細(xì)控制。為了這些要求，聯(lián)合量子研究所(JQI)和量子信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心(QuICS)的科學(xué)家，已經(jīng)拉伸了多個(gè)光子（光的量子粒子）并將三個(gè)不同脈沖轉(zhuǎn)化為重疊的量子波。現(xiàn)在發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上的這項(xiàng)研究中，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)了光子之間的干擾，并最終可能使一種特定類型的量子優(yōu)勢得以展示，這對于按照量子物理規(guī)則運(yùn)行的計(jì)算機(jī)來說，這是一個(gè)明顯的速度優(yōu)勢。

合著者，也是馬里蘭大學(xué)(University Of Maryland)物理學(xué)、電氣和計(jì)算機(jī)工程的副教授，JQI研究員穆罕默德·哈菲茲(Mohammad Hafezi)說：雖然光子并不直接相互作用，但當(dāng)它們相遇時(shí)，它們可以表現(xiàn)出經(jīng)典、非量子波所沒有的純量子特征。這些天來，測試光子的相似性是例行公事，包括在一個(gè)叫做分束器的設(shè)備上將它們聚集在一起，并測量從另一邊發(fā)出的光。當(dāng)單個(gè)光子擊中平衡分束器時(shí)，有50%的幾率它會直接穿過，也有50%的幾率它會在某個(gè)角度反射掉。

通過在這兩條可能的路徑上放置探測器，科學(xué)家可以測量單個(gè)光子最終飛行的方向。如果兩個(gè)相同的光子在分束器處相遇，一個(gè)向東，另一個(gè)向北，那么對每個(gè)粒子單獨(dú)應(yīng)用的相同處理很有誘惑力。誠然，兩個(gè)光子都有同等的機(jī)會穿透或反射，但因?yàn)楣庾邮遣豢蓞^(qū)分的，所以不可能分辨出哪個(gè)光子去了哪里。這種混淆的結(jié)果是，兩種可能的組合（兩個(gè)光子都直接穿過分束器，兩個(gè)光子都反射）相互抵消，留下了一個(gè)明顯的量子結(jié)果：光子組合起來，成對傳播，最終總是在兩個(gè)探測器中的一個(gè)上結(jié)束。

現(xiàn)在，來自UMD和樸茨茅斯大學(xué)的Hafezi和同事們觀察到了可分辨光子的類似干涉效應(yīng)，光脈沖只有兩皮秒長(皮秒是萬億分之一秒)，間隔幾十皮秒。關(guān)鍵的技巧是找到一種方法，使脈沖更難區(qū)分，這樣它們就可以干擾。JQI的博士后研究員、研究的合著者Sunil Mittal說：研究使用的是一種光學(xué)元件，基本上是光纖。模擬大約150公里長的光纖拉伸光子。作用有點(diǎn)像反向的透鏡，導(dǎo)致脈沖中的不同頻率色散和離焦。通過將每個(gè)光子的長度延長約1000倍，可以有效地消除脈沖之間的時(shí)間延遲，并創(chuàng)建大的重疊部分。

這種重疊使得光子更有可能同時(shí)到達(dá)探測器并相互干擾。以前的實(shí)驗(yàn)(包括JQI和QuICS的Christopher Monroe及其合作者)已經(jīng)成功地干擾了可區(qū)分的光子，但這些結(jié)果需要多個(gè)通道來接收入射光（每個(gè)光子一個(gè)通道）。這項(xiàng)新研究只使用了一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)電信頻率上傳輸光的通道，這使得該研究系統(tǒng)可以很容易地?cái)U(kuò)展。擁有更多的光子將使研究人員能夠研究玻色子采樣，這是一個(gè)被認(rèn)為對普通計(jì)算機(jī)來說太難的計(jì)算問題。在其標(biāo)準(zhǔn)形式中，玻色子采樣關(guān)注光子（光子是一種稱為玻色子的粒子家族成員）通過一個(gè)巨大的分束器網(wǎng)絡(luò)。

光子通過不同的通道進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)并退出到檢測器，每個(gè)通道一個(gè)檢測器。玻色子采樣“問題”相當(dāng)于進(jìn)行復(fù)雜的硬幣翻轉(zhuǎn)，因?yàn)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)都從(比方說)在端口1，2和5進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)光子，將最終在輸出2處結(jié)束的潛在機(jī)會進(jìn)行采樣，3和7.網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾是復(fù)雜的，不可能用普通的計(jì)算機(jī)跟蹤（即使是適量的光子）而且添加的光子越多，它就越難跟蹤。但有了真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的真實(shí)光子，問題就會自行解決。這個(gè)實(shí)驗(yàn)與玻色子采樣聯(lián)系是一個(gè)很好的例子，說明量子多體物理和計(jì)算復(fù)雜性理論之間不斷增長的協(xié)同效應(yīng)，如何能夠促使這兩個(gè)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。

但到目前為止，玻色子采樣實(shí)驗(yàn)一直受到可擴(kuò)展性問題的困擾：解決更多光子的問題意味著添加更多通道，這意味著占用更多空間，并對更多光子的到達(dá)進(jìn)行計(jì)時(shí)，以確保它們的干擾，新技術(shù)潛在地解決了這兩個(gè)問題。在系統(tǒng)中，輸入不需要在不同的纖維中，所有的光子都可以在一根光纖中傳播，并且可以用已經(jīng)演示過的相同方法消除時(shí)間差。另一種現(xiàn)成的設(shè)備可以模仿分束器網(wǎng)絡(luò)，好處是可以方便地重新配置，現(xiàn)在不做玻色子取樣，但朝那個(gè)方向去做會相對容易。

博科園｜研究/來自：聯(lián)合量子研究所

參考期刊《物理評論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.123603

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