以色列魏茨曼研究所的科學(xué)家們近日研制出世界上首個(gè)光子路由裝置。該光子路由裝置是一種基于單個(gè)原子的量子裝置，可以實(shí)現(xiàn)單光子路由功能。這項(xiàng)發(fā)布在《科學(xué)》雜志上的重大成果，標(biāo)志著在構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)所面臨的重重困難中，人類又向前邁進(jìn)了一步。

示意圖顯示處在中心位置的橙色單個(gè)原子將黃色光子分配到不同方向的路徑。

世界上首個(gè)光子路由裝置。

該裝置的核心是一個(gè)原子，它可以在兩種狀態(tài)之間切換。被設(shè)定的狀態(tài)為，僅從光纖右邊或左邊發(fā)送單個(gè)光子，相應(yīng)地，裝置中心的原子將反射或者傳導(dǎo)下一個(gè)傳入的光子。比如，一個(gè)從右邊過(guò)來(lái)的光子沿著自己的路徑奔向左邊，同時(shí)一個(gè)從左邊過(guò)來(lái)的光子被反射回去，導(dǎo)致處在中心的原子快速翻轉(zhuǎn)。完全相反的情形是，原子讓左邊過(guò)來(lái)的光子正常行進(jìn)，一旦從右邊來(lái)的光子逆流而至，這個(gè)原子又被快速翻轉(zhuǎn)回來(lái)。這種原子基“開(kāi)關(guān)”僅用單個(gè)光子就可操作，不需其他額外條件。

“從某種意義上講，這個(gè)光學(xué)設(shè)備類似于能控制電流開(kāi)關(guān)的電子晶體管。”魏茨曼研究所量子光學(xué)課題組組長(zhǎng)巴拉克·達(dá)洋博士說(shuō)，光子不僅是構(gòu)成信息流的單位，還具備控制設(shè)備的功能。

物理學(xué)家組織網(wǎng)7月15日(北京時(shí)間)報(bào)道稱，取得這項(xiàng)成果需要充分結(jié)合世界上兩個(gè)最先進(jìn)的技術(shù)。一個(gè)是激光制冷和原子捕獲技術(shù)，另一個(gè)是基于芯片和超高品質(zhì)的微型光學(xué)諧振器的制造技術(shù)，二者直接結(jié)合起來(lái)能制備出符合實(shí)驗(yàn)要求的光纖。達(dá)洋實(shí)驗(yàn)室所在的魏茨曼研究所，是世界范圍內(nèi)少有的能同時(shí)熟練掌握這兩種技術(shù)的研究所之一。

在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)所做的各種努力中，最主要的動(dòng)力來(lái)源于客觀存在的量子“疊加態(tài)”，這是粒子以不同形態(tài)同時(shí)存在的一種狀態(tài)，擁有并行處理巨型數(shù)據(jù)庫(kù)的潛能。而且，疊加態(tài)的無(wú)限期存在，能持續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量，防止計(jì)算機(jī)崩潰。因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)之間完全沒(méi)有交往，量子系統(tǒng)與其他粒子系統(tǒng)的互動(dòng)也微乎其微，所以，光子是量子系統(tǒng)之間通信最有前途的候選對(duì)象。

達(dá)洋博士說(shuō)：“構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的道路仍然很長(zhǎng)，我們建造的設(shè)備演示了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的系統(tǒng)，可以應(yīng)用于所有未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的建構(gòu)。在目前的演示中，單個(gè)原子可以做晶體管，也可以做光子間的雙向開(kāi)關(guān)，但是在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，我們希望擴(kuò)展這種單獨(dú)作用于光子的設(shè)備種類，比如新型光子存儲(chǔ)器或者邏輯門等。”

圈點(diǎn)

牛頓曾經(jīng)設(shè)想光是一束微粒，光像小球一樣被平板反射回去，他肯定沒(méi)想到，三百年后，人們已將單個(gè)光子把玩于股掌之中，如同撥弄一顆玻璃彈球?？茖W(xué)家用的“球拍”是一個(gè)原子，光子從它那里通過(guò)或者反彈，是完全可預(yù)料的和可操縱的，如此精細(xì)的裝置，真可謂巧奪天工。在此類最基礎(chǔ)的量子光學(xué)元件的基礎(chǔ)上，我們未來(lái)將拼裝出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。它只發(fā)光，不發(fā)熱，呵一口氣的能量，就能讓它在一塊頭皮屑大小的工作空間里，輕松勝過(guò)現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)。