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研究人员为量子计算机提出了一种更简单的设计

量子创投界

2021-11-30

导读：如今的量子计算机建造起来很复杂，很难扩大规模，而且需要比星际空间更低的温度才能运行。这些挑战促使研究人员探索利用光子(光的粒子)建造量子计算机的可能性。

如今的量子计算机建造起来很复杂，很难扩大规模，而且需要比星际空间更低的温度才能运行。这些挑战促使研究人员探索利用光子(光的粒子)建造量子计算机的可能性。光子可以很容易地将信息从一个地方带到另一个地方，而且光量子计算机可以在室温下工作，所以这种方法很有前途。然而，尽管人们已经成功地为光子创建了单独的量子“逻辑门”，但要构建大量的门并以可靠的方式将它们连接起来，以执行复杂的计算，仍然是一个挑战。

量子隐形传态

现在，根据11月29日发表在《光学》（Optica）杂志上的一篇论文，斯坦福大学的研究人员提出了一种使用现成元件的更简单的光量子计算机设计。他们提出的设计使用激光操纵单个原子，进而可以通过一种被称为“量子隐形传态”的现象改变光子的状态。原子可以被重置并用于多个量子门，从而消除了构建多个不同物理门的需要，大大降低了构建量子计算机的复杂性。

“通常情况下,如果你想要建立这种类型的量子计算机,你可能需要成千上万的量子发射器,使他们完全无法区分,然后将它们集成到一个巨大的光子电路,”一个应用物理的博士生和论文的主要作者Ben Bartlett说。“而在这种设计中，我们只需要几个相对简单的组件，机器的大小不会随着你想要运行的量子程序的大小而增加。”

这种非常简单的设计只需要几件设备:一根光缆、一个分束器、一对光开关和一个光腔。

幸运的是，这些组件已经存在，甚至可以在市场上买到。它们也在不断改进，因为它们目前被用于量子计算以外的应用。例如，电信公司多年来一直致力于改进光纤电缆和光开关。

范汕洄

“我们在这里提出的建议是建立在人们为改善这些部件所付出的努力和投资的基础上，”工程学院Joseph and Hon Mai Goodman教授、该论文的高级作者范汕洄说。“它们不是专门用于量子计算的新组件。”

一个新颖的设计

科学家的设计包括两个主要部分:储存环和散射单元。存储环的功能与普通计算机中的内存类似，它是一个光纤环，包含多个光子，并在环上传播。类似于在经典计算机中存储信息的位，在这个系统中，每个光子代表一个量子比特，或“量子比特”。光子在存储环上的移动方向决定了量子比特的值，量子比特就像bits一样，可以是0或1。此外，由于光子可以同时以两种状态存在，单个光子可以同时向两个方向流动，这代表一个值同时为0和1的组合。

研究人员可以通过将光子从存储环引导到散射单元来操纵它，在散射单元中，光子移动到一个包含单个原子的腔中。然后光子与原子相互作用，导致两者成为“纠缠”，这是一种量子现象，即两个粒子可以相互影响，即使相隔很远。然后，光子返回存储环，激光改变原子的状态。由于原子和光子是纠缠的，操纵原子也会影响其配对光子的状态。

“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上，”Bartlett说。“所以我们只需要一个可控的原子量子比特，我们可以用它作为代理，间接操纵所有其他光量子比特。”

因为任何量子逻辑门都可以被编译成在原子上执行的一系列操作，所以原则上，你可以只使用一个可控的原子量子比特来运行任何大小的量子程序。为了运行一个程序，代码被翻译成一系列操作，这些操作引导光子进入散射单元并操纵原子量子比特。因为你可以控制原子和光子相互作用的方式，同一个设备可以运行许多不同的量子程序。

“对于许多光子量子计算机来说，门是光子通过的物理结构，所以如果你想改变正在运行的程序，通常需要重新配置硬件，”Bartlett说。“而在这种情况下，你不需要改变硬件，你只需要给机器一个不同的指令集。”

相关链接

https://phys.org/news/2021-11-simpler-quantum.html

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