量子计算机有望比传统数字计算机更快地执行某些类型的操作。但是，在这些超高速机器投入使用之前，必须解决许多挑战，其中包括系统中的顺序丢失——一个被称为量子退相干的问题——随着量子计算机中比特数的增加，这个问题会恶化。
一种被提议的解决方案是将计算分配给多个小型量子计算机，这些计算机可以像今天的多核超级计算机一起处理大型数字操作一样协同工作。这样一个系统中的单个计算机可以使用玻色-爱因斯坦凝聚体(BECs)来传递量子信息——这些超冷原子云都存在于完全相同的量子态。这种方法可以通过减少单个计算机所需的比特数来解决退相干问题。
现在，佐治亚理工学院的一组物理学家已经研究了这种玻色-爱因斯坦通信是如何工作的。研究人员确定了量子信息在BEC中传播所需的时间，从本质上确定了量子计算机可以通信的最高速度。
“我们在这项研究中所做的是看看这种量子信息是如何传播的，”乔治亚理工学院物理学院的副教授钱德拉·拉曼说。“我们不仅对量子信息系统的量子信息流动力学感兴趣，而且对物理学中的基本问题也更感兴趣。”
该研究将发表在4月19日的《科学》网络版上物理评论快报．这项研究是由美国能源部(DOE)和国家科学基金会(NSF)资助的。这项工作涉及到由Raman领导的实验物理小组和由同样来自佐治亚理工学院物理学院的Carlos Sa De Melo副教授领导的理论物理小组。
研究人员首先组装了一个气态的玻色-爱因斯坦凝聚体，它由多达300万个冷却到接近绝对零度的钠原子组成。为了开始实验，他们打开了一个施加在BEC上的磁场，使系统立即失去平衡。当原子试图从一个基态过渡到另一个基态时，这引发了自旋交换碰撞。靠近彼此的原子会纠缠在一起，一个原子的自旋指向上，另一个原子的自旋指向下。这种相反自旋的配对在原子对之间创造了一种相关性，这种相关性在整个BEC中运动，因为它建立了一个新的平衡。
研究人员，包括研究生Anshuman Vinit和前博士后研究员Eva Bookjans，测量了它们在冷原子云中传播时的相关性。起初，量子纠缠集中在空间中，但随着时间的推移，它向外扩散，就像一滴染料在水中扩散一样。
拉曼说:“你可以想象有一滴染料集中在太空的一点上。”“通过扩散，染料分子在水中移动，慢慢地扩散到整个系统。”
这项研究可以帮助科学家预测由多个核心通过BEC通信组成的量子计算系统的运行速度。
“这种传播发生在10到100毫秒的时间尺度上，”拉曼说。“这是量子信息通过这种系统自然流动的速度。如果你要将这种介质用于量子通信，那将是它的自然时间尺度，这将为其他过程设定时间。”
虽然与量子信息的通信有关，但该过程也显示了一个大系统如何在局部补丁中经历相变，从而扩展到试图包含整个系统。
“一个扩展系统不会以统一的方式从一个阶段移动到另一个阶段，”拉曼说。“它在本地做到了这一点。事情发生在局部，最初彼此之间没有联系，所以你看到了这种不均匀性。”
除了量子计算，研究结果还可能对量子传感和其他经历相变的物理系统的研究产生影响。
“相变具有普遍的特性，”拉曼指出。“你可以采取在各种系统中发生的相变，并发现它们是由相同的物理学描述的。这是一个统一的原则。”
拉曼希望这项工作能带来思考量子计算的新方法，而不考虑它的直接实际应用。
他说:“量子计算的一个范例是建立一个由尽可能多的捕获离子组成的线性链，同时设计出尽可能多的挑战。”“但也许成功的是建立这些可以相互通信的更小的量子系统。尝试尽可能多的东西，保持开放的心态是很重要的。我们需要尽可能地理解这些系统。”
欲知详情，请浏览www.gatech.edu．
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