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今天的很多量子計(jì)算機(jī)建造起來很復(fù)雜，很難擴(kuò)大規(guī)模，并且需要比星際空間更冷的溫度才能運(yùn)行。這些挑戰(zhàn)促使研究人員探索構(gòu)建使用光子（光粒子）工作的量子計(jì)算機(jī)的可能性。 光子可以很容易地將信息從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方，光子量子計(jì)算機(jī)可以在室溫下運(yùn)行，因此這種方法很有希望。然而，盡管人們已經(jīng)成功地為光子創(chuàng)建了單獨(dú)的量子"邏輯門"，但用 光子構(gòu)建大量邏輯門并以可靠的方式連接它們以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，還是一個(gè)技術(shù)難題。

近日，斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)提出了一種更簡單的光子量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案，并可沿用現(xiàn)成的組件。 根據(jù)11月29日發(fā)表在期刊Optica上的一篇論文，他們提出的設(shè)計(jì)使用激光來操縱單個(gè)原子，而單個(gè)原子又可以通過一種稱為"量子隱形傳態(tài)"的現(xiàn)象來修改光子的狀態(tài)。該原子還可以被重置并復(fù)用于許多量子門，從而無需構(gòu)建多個(gè)不同的物理門，大大降低了構(gòu)建光量子計(jì)算機(jī)的復(fù)雜性。

"通常情況下，如果你想建造這種類型的量子計(jì)算機(jī)，你必須使用數(shù)千個(gè)量子發(fā)射器，使它們保持完美一致，然后將它們集成到一個(gè)巨大的光子電路中，"應(yīng)用物理學(xué)博士生，該論文的第一作者Ben Bartlett說："而 通過這種設(shè)計(jì)，我們只需要幾個(gè)相對(duì)簡單的組件，而且機(jī)器的尺寸不會(huì)隨著你想要運(yùn)行的量子程序的大小而增加。”

這種非常簡單的設(shè)計(jì)只需要幾種設(shè)備：光纖電纜，分束器，一對(duì)光學(xué)開關(guān)和光學(xué)腔。幸運(yùn)的是，這些組件已經(jīng)存在，甚至已經(jīng)在商業(yè)上使用，并在不斷改進(jìn)，因?yàn)樗鼈兡壳耙灿糜诹孔佑?jì)算以外的應(yīng)用。例如電信公司多年來一直致力于改進(jìn)光纖電纜和光開關(guān)。

"這一方案的提出，建立在人們?yōu)楦倪M(jìn)這些組件而付出的努力和投資的基礎(chǔ)上，"斯坦福工程學(xué)院教授，該論文的資深作者Shanhui Fan說。"它們不是專門用于量子計(jì)算的新組件。”

全新的設(shè)計(jì)

斯坦?？茖W(xué)家的設(shè)計(jì)由兩個(gè)主要部分組成：存儲(chǔ)環(huán)和散射單元。 存儲(chǔ)環(huán)的功能類似于普通計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存，是一個(gè)光纖環(huán)路，其中包含圍繞環(huán)傳播的多個(gè)光子。類似于在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)信息的比特，在這個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)光子代表一個(gè)量子比特。光子圍繞存儲(chǔ)環(huán)的行進(jìn)方向決定了量子比特的值，可以是0或1。此外，由于光子處于疊加態(tài)存在，因此單個(gè)光子可以同時(shí)向兩個(gè)方向流動(dòng)，這表示同時(shí)是0和1的組合的值。

圖 1. 本工作中描述的光子量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)。

(a) 設(shè)備的物理設(shè)計(jì)。光子量子比特通過光纖存儲(chǔ)環(huán)反向傳播，光開關(guān)可以選擇性地引導(dǎo)光子通過散射單元與腔中的原子相互作用，腔中由激光相干控制。

(b) 原子的能量結(jié)構(gòu)：Ω1 與腔模和光子載波頻率共振，而 Ω0是遠(yuǎn)失諧的。

(c) Bloch 球體對(duì)光子量子比特狀態(tài)的描述{ | ↻ ⟩ , | ↺ ⟩ }基礎(chǔ)和一個(gè)通過散射單元應(yīng)用的操作。關(guān)于旋轉(zhuǎn) 移相器和分束器施加固定角度（灰色），而旋轉(zhuǎn) 以可控角度θ（純紅色）使用腔激光器應(yīng)用于原子。投影測(cè)量原子將此旋轉(zhuǎn)傳送到光子上，但可能會(huì)超過目標(biāo)角度θ經(jīng)過π （紅色虛線）取決于測(cè)量結(jié)果 m. 這個(gè)操作是一個(gè)通用的原始單量子比特：通過組合多個(gè)此類操作，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整后續(xù)的旋轉(zhuǎn)角度，可以確定性地構(gòu)建任意的單量子比特門。

研究人員可以通過將光子從存儲(chǔ)環(huán)引導(dǎo)到散射單元來操縱光子，在那里它傳播到包含單個(gè)原子的空腔。 然后，光子與原子相互作用，導(dǎo)致兩者"糾纏"，這是一種量子現(xiàn)象，其中兩個(gè)粒子甚至可以在很遠(yuǎn)的距離上相互影響。然后，光子返回存儲(chǔ)環(huán)，再用激光改變?cè)拥臓顟B(tài)。因?yàn)樵雍凸庾邮羌m纏在一起的，所以操縱原子也會(huì)影響其配對(duì)光子的狀態(tài)。

圖 2. 對(duì)應(yīng)于光子穿過散射單元一次的量子門序列。投影測(cè)量將應(yīng)用于原子量子比特的旋轉(zhuǎn)傳送到光子量子比特。

"通過測(cè)量原子的狀態(tài)，你可以將操作傳送到光子上，"Ben Bartlett說。"所以我們 只需要一個(gè)可控的原子量子比特，我們可以用它作為代理來間接操縱所有其他光子量子比特。

因?yàn)槿魏瘟孔舆壿嬮T都可以編譯成在單個(gè)粒子上執(zhí)行的一系列操作，所以原則上，你可以只使用一個(gè)可控的“原子代理量子比特”來運(yùn)行任何大小的量子程序。為了運(yùn)行程序，代碼被轉(zhuǎn)換為一系列操作，這些操作將光子引導(dǎo)到散射單元并操縱原子量子比特。 因?yàn)槟憧梢钥刂圃雍凸庾酉嗷プ饔玫姆绞?，所以同一個(gè)設(shè)備可以運(yùn)行許多不同的量子程序。

圖 3. 將量子電路編譯成要在設(shè)備上執(zhí)行的指令序列的概念圖。

(a) 通用目標(biāo)量子電路。

(b) 分解為單量子比特的等效電路和Cσz門。

(c) 電路進(jìn)一步分解為一系列散射相互作用。這個(gè)序列可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上組裝成一個(gè)指令集，其中包含六個(gè)與物理動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的不同原語。

(d) 量子器件的可控元件是光開關(guān)、腔激光器和原子狀態(tài)讀出。

"對(duì)于許多光子量子計(jì)算機(jī)來說，光子通過的物理結(jié)構(gòu)代表了不同的邏輯門，所以如果你想改變正在運(yùn)行的程序，它通常涉及物理上重新配置硬件，"Bartlett說。"而 在這種全新的設(shè)計(jì)下，你不需要改變硬件，只需要給機(jī)器一組不同的指令。”