无论我们是否喜欢，我们都熟悉各种超级英雄及其独特的能力。 因此，您想拥有哪种超级大国的问题并不罕见。 有人希望像绿巨人一样坚强，有人-像Flash一样快，而有人不会放弃蝙蝠侠的超级大国-金钱。 但是那些至少一次从火星到金星的交通拥堵的人会为一切提供机会进行传送。 从科幻小说的角度来看，远距传输的概念听起来非常令人兴奋，但实际上，这种超级大国也存在，但远没有人们赋予它。 今天，我们将与您会面一项研究，横滨大学（日本）的科学家能够在钻石内部传送信息。 科学家是如何做到这一点的？量子物理学的发展方向如何？这对数据存储技术的未来意味着什么？ 科学家的报告中有答案等待着我们。 走吧
学习基础
首先，值得注意的是，正在讨论的现象的全称是量子隐形传态。 此过程的原理对于量子信息技术至关重要。 例如，要实现量子通信，需要量子中继器，该中继器将量子位（量子位）传输到远程节点，而不会透露该量子位本身的状态。 对于计算程序，远距传输将有助于通过量子通信进行量子盲计算的输入和输出数据的安全传输。
量子隐形传态最重要的方面是将量子信息传输到不可访问的空间，这是人们所期望的，以及将光子信息传输到量子存储器而不泄露或破坏存储的量子信息。
在这项工作中，科学家演示了一种将光子极化的量子态转移到与钻石的
NV中心*结合的碳同位素的核自旋上的工作方案。
NV中心*是钻石中被氮取代的空位，即 当金刚石的晶格结构由于晶格位置上的碳原子被去除以及空位与氮原子的结合而受到破坏时，这是金刚石中的点缺陷。
碳自旋首先与电子自旋纠缠，然后让电子自旋吸收光子，并与自旋-轨道相互作用相关。 在自旋的基态弛豫之后检测电子，可以将光子的任意极化选择性地转移到碳记忆中。
量子态传输方案允许量子存储设备既可用于与量子系统进行远程通信的可伸缩量子中继器（中继器），又可用于分布式量子计算。
在这项工作中，科学家们能够成功地引发和操纵通过氮作为纳米磁铁的核碳自旋，以消除电子的简并性，从而在碳核自旋上保持零磁场。 以下是将光子的偏振态转换为自旋的量子态（即隐形传态）的过程。 所有这些都已通过实际实验和观察得到了成功验证，我们稍后会熟悉其结果，因为首先研究人员想向我们解释其奇迹技术的原理。
工作原理
量子隐形传态的基础是以贝尔为基础的纠缠和测量的准备，这导致了量子态（
1a ）的后选择性转移。
图片编号1最初，电子自旋与核碳自旋之间发生了纠缠。 然后，通过吸收光子来测量基于贝尔的电子自旋所引起的光子的极化，以便将光子的极化状态转换为碳自旋的状态（
1b ，
1c ）。
在每个节点都具有NV中心的量子中继器的单向系统的实际协议中，从一个节点发射光子，而使电子与该光子纠缠在一起（
1d ）。 将光子存储在另一个节点中的成功建立了两个相邻节点之间的纠缠。
金刚石中带负电的NV中心由氮（
14 N）和相邻的空位（
V ）的混合物组成，其中电子（
e ）处于三重态（
1b ）。 电子和氮原子核具有自旋1性质，它构成一个三级V型系统，具有两个简并状态
m s ，I =±1（表示为|±1⟩e
， N ），它们构成一个逻辑量子比特，状态
m s ，I = 0（用|0⟩e
， N表示 ），它是一个辅助量子位。 然后，发生电子的零场分裂（约2.87 GHz）和氮的核四极分裂（约4.95 MHz）。
另一方面，碳核自旋（
13 C）通过超精细相互作用（在本研究中为0.9 MHz）与电子弱键合，显示出1/2自旋特性，它构成了具有两个简并的
m I =±1/2态的两能级系统（表示为|↑⟩，|↓⟩）在零磁场（
1c ）中。
为了准备电子和碳核自旋之间的自旋纠缠，首先将它们初始化为|0⟩e，|↓⟩。 尽管事实上很难在零磁场中初始化核碳自旋，但是使用极化电子自旋对核氮自旋进行核四极分裂，可以使其在| +1⟩N极化，这被用作纳米磁铁，以便向电子施加局部磁场以进行初始化核碳自旋（
1c ）。
图片编号2接下来，红光用于实现
CPT * （相干种群俘获），该共振以自旋轨道相关本征态|2⟩= 1 /√2（| +1，-1⟩l
， e + | -1， +1⟩l
， e （l和
e表示
电子的轨道和自旋角动量），当右圆极化| +1⟩p首先使| +1⟩e中的电子极化，然后核氮自旋| +1⟩N（
2a上的紫色线）。
CPT *是一种现象，当一组原子在黑暗状态下连贯地“卡住”（原子或分子不能吸收光子）。
因此，由于与氮的超精细相互作用而消除了电子自旋简并性，这有助于碳核自旋从|↓⟩C到|↑⟩C的选择性过渡（
2a处的绿线）。 图
2b显示了氮和碳核自旋的初始化过程。
再次用红光将电子初始化为|0⟩e，即共振态| Al⟩。 然后，使用微波辐射和无线电波对电子和碳进行处理，使它们在|
+ ⟩e处发生纠缠
，C = 1 /√2（| + 1，↑⟩e
，C + | -1，↓⟩e
，C ，这是贝尔的四个状态之一，图
2c显示了整个过程的量子图。
此外，允许电子吸收具有任意极化的入射光子，从而激发电子进入另一个自旋轨道本征态。 光子的吸收投射出光子的极化状态和贝尔状态之一的电子的自旋状态。 由光子的任意极化和纠缠的电子-碳态组成的准备态的投影表示如下：
结果，我们获得了具有附加operation运算
y的光子的偏振态。
实验远距传输实现
现在，您可以从文字（或更确切地说是公式）过渡到行动。 首先，测量了输入光子和转移的碳之间的相位相关性，这表明了转移操作中量子相干性的守恒。
图片编号3图
3a显示了沿轴| +⟩C-|-⟩C测得的光子极化对碳核自旋种群的依赖性
。 这些数据是通过在施加无线电波和微波辐射之后，接着以状态| Ex⟩谐振的红光下测量光子数而获得的。 正如科学家所假设的，观察到强的反相相关性，表明了转移的量子性质。
然后，研究人员决定通过应用光子极化的六个基本状态（
3b ）来检查状态转移期间量子过程的有效性，然后他们根据量子态的层析成像估计转移后核碳自旋的状态。 图像
3b显示了从六个光子极化转移来的碳核自旋态的Bloch矢量。
保真度* -在量子信息学中，这是两个量子态接近度的量度。 它表示条件之一通过测试的可能性，该条件将其确定为第二个条件。
保真度平均达到78±2％，大大超过了67％的经典极限（
3d ）。 Bloch向量使估算量子传输通道成为可能，如
3d所示。 转移过程的准确性为76％。 这表明传输通道支持量子相干性。
量子态转移保真度的降低与多种因素有关：纠缠和贝尔态测量的不完善，这是由于自旋初始化不完全引起的（
3f ）； 晶体变形引起的轨道激发态混合（
3g ）; 测量贝尔状态时的相位旋转； 快门错误。
可以通过重复初始化顺序来提高初始化的保真度，并且可以通过识别e
x和e
y （它们是变形的
x和
y分量）来抵消晶体变形的影响。 通过在转移前在| 0 nitrogen
N处初始化核氮自旋可避免相旋转。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
研究人员自己说，他们的技术还处于起步阶段，只有一个光子的偏振态成功转移证明了这一点，而一个脉冲（200 nW，20 ns）包含大约10
4个光子。 因此，转移其中至少两个的概率为2.5％。 这在天文数字上并不是很小，但是对于吹牛和吹牛还不够，科学家们理解了这一点。 将来，他们打算继续提高自己的创造力。 他们确信，他们的工作将对实现量子计算，量子通信和量子数据仓库等许多人期望的技术非常有用。 无论创建所有上述技术的过程花费了多长时间，这肯定会比Portal 3的发布更早发生（对不起，我无法抗拒）。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)
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