数学是量子纠缠保护的关键吗？

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量子计算机理论上可以找到经典计算机无法解决的问题的答案，但它们依赖于一种称为纠缠的微妙状态，这种状态很容易受到周围环境的干扰。现在，科学家们发现“光子拓扑绝缘体”可以帮助保护纠缠，在量子计算中有潜在的用途。

被广泛探索的量子计算机的核心是被称为量子比特的组件。传统的计算机会打开或关闭晶体管，将数据表示为1和0，而量子物理的奇异性质使量子位以一种称为叠加的状态存在，它们可以同时充当1和0，基本上允许每个量子位同时执行多个计算。

量子力学连接或纠缠的量子比特越多，它们可以同时执行的计算就越多。然而，纠缠态在受到外界干扰（如热或振动）时非常脆弱，这使得量子计算机的规模化成为一项具有挑战性的任务。

保护纠缠态不受环境影响的一种潜在方法是使用被称为拓扑绝缘体的奇异材料，在这种绝缘体中，电、光或声音只在表面和边缘流动，几乎没有能量耗散。现在，澳大利亚、中国和英国的科学家已经开发出一种集成光子芯片，可以通过拓扑结构保护纠缠。

拓扑学是数学的一个分支，它探索形状的哪些方面可以经受变形。例如，形状像甜甜圈的物体可以变形为杯子的形状，这样甜甜圈的洞就变成了杯子把手上的洞。然而，如果不改变形状，物体就不能失去这个洞。

利用拓扑学的见解，研究人员于2007年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面运行的电子受到“拓扑保护”，这意味着电子流动的模式在遇到任何干扰时都将保持不变，这一发现有助于2016年获得诺贝尔物理学奖。科学家后来设计了光子拓扑绝缘体，在这种绝缘体中，光受到了类似的保护，以及声学拓扑绝缘体。

世界各地的科学家已经研究了拓扑保护如何使量子计算机更能抵抗外界干扰。然而，将拓扑保护与量子纠缠结合起来的电子产品已经被证明是困难的，部分原因是这些现象往往都需要极端条件，比如极冷、超高真空和强磁场。

在这项新研究中，研究人员没有试图在电子设备中产生拓扑保护的纠缠，而是创造了一种坚固的光子硅芯片。他们的CMOS器件在环境温度和压力下工作，不需要极冷、真空或磁场。

科学家们制作了光子拓扑绝缘体，其晶格由280个相同的硅环组成，每个硅环的宽度为61微米。当一对纠缠光子被送入该阵列时，它们沿着晶格的相对边缘流动，受到拓扑保护，即使科学家在该阵列中添加了结构缺陷，纠缠仍然存在。

此前，不同的研究小组已经实现了纳米线阵列中纠缠光子的拓扑保护，但这项新工作是首次在光子芯片中展示这种拓扑保护，“纠缠光子沿着边缘从一点传输到另一点，”Mordechai Segev说，海法理工学院以色列理工学院的物理学家，他没有参与这项研究，“这就是你想要的量子计算。”

研究团队指出，他们的集成芯片结构紧凑，即插即用兼容，拓扑保护的纠缠光子可以作为容错量子计算机中的量子位，并在高度安全的量子通信网络中使用。他们警告说，其设备可能不具备抵抗某些制造缺陷的弹性，例如硅环壁上的粗糙度，这会导致光在晶格中向后反射。

Segev认为，光子学最终将成为量子计算领域的制胜平台，由Palo Alto初创公司PsiQuantum、加拿大初创公司Xanadu以及致力于机器研究的中国Jiuzhang等团体牵头。Segev说，新研究中展示的光子拓扑平台可能会带来更强大的光子量子计算，“制造成本合理”。

科学家们在2月17日的《自然光子学》杂志上详细介绍了他们的发现。

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