斯坦福最新突破：用光量子进行逻辑门计算超级简单
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今天的很多量子计算机建造起来很复杂，很难扩大规模，并且需要比星际空间更冷的温度才能运行。这些挑战促使研究人员探索构建使用光子（光粒子）工作的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传递到另一个地方，光子量子计算机可以在室温下运行，因此这种方法很有希望。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"，但用光子构建大量逻辑门并以可靠的方式连接它们以执行复杂的计算，还是一个技术难题。
(资料图)
近日，斯坦福大学的研究人员已经提出了一种更简单的光子量子计算机设计方案，并可沿用现成的组件。根据11月29日发表在期刊Optica上的一篇论文，他们提出的设计使用激光来操纵单个原子，而单个原子又可以通过一种称为"量子隐形传态"的现象来修改光子的状态。该原子还可以被重置并复用于许多量子门，从而无需构建多个不同的物理门，大大降低了构建光量子计算机的复杂性。
"通常情况下，如果你想建造这种类型的量子计算机，你必须使用数千个量子发射器，使它们保持完美一致，然后将它们集成到一个巨大的光子电路中，"应用物理学博士生，该论文的第一作者Ben Bartlett说："而通过这种设计，我们只需要几个相对简单的组件，而且机器的尺寸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种设备：光纤电缆，分束器，一对光学开关和光学腔。 幸运的是，这 些组件已经存在，甚至已经在商业上使用，并在不断改进，因为它们目前也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。
"这一方案的提出，建立在人们为改进这些组件而付出的努力和投资的基础上，"斯坦福工程学院教授，该论文的资深作者Shanhui Fan说。"它们不是专门用于量子计算的新组件。”
全新的设计
斯坦福科学家的设计由两个主要部分组成：存储环和散射单元。存储环的功能类似于普通计算机中的内存，是一个光纤环路，其中包含围绕环传播的多个光子。类似于在经典计算机中存储信息的比特，在这个系统中，每个光子代表一个量子比特。光子围绕存储环的行进方向决定了量子比特的值，可以是0或1。此外，由于光子处于叠加态存在，因此单个光子可以同时向两个方向流动，这表示同时是0和1的组合的值。
图 1. 本工作中描述的光子量子计算机架构。
(a) 设备的物理设计。光子量子比特通过光纤存储环反向传播，光开关可以选择性地引导光子通过散射单元与腔中的原子相互作用，腔中由激光相干控制。
(b) 原子的能量结构：Ω1 与腔模和光子载波频率共振，而 Ω0是远失谐的。
(c) Bloch 球体对光子量子比特状态的描述{ | , | }基础和一个通过散射单元应用的操作。关于旋转
移相器和分束器施加固定角度（灰色），而旋转
以可控角度θ
（纯红色）使用腔激光器应用于原子。投影测量原子将此旋转传送到光子上，但可能会超过目标角度θ经过π （红色虚线）取决于测量结果 m. 这个操作是一个通用的原始单量子比特：通过组合多个此类操作，并根据测量结果调整后续的旋转角度，可以确定性地构建任意的单量子比特门。
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光子，在那里它传播到包含单个原子的空腔。然后，光子与原子相互作用，导致两者"纠缠"，这是一种量子现象，其中两个粒子甚至可以在很远的距离上相互影响。然后，光子返回存储环，再用激光改变原子的状态。因为原子和光子是纠缠在一起的，所以操纵原子也会影响其配对光子的状态。
图 2. 对应于光子穿过散射单元一次的量子门序列。投影测量将应用于原子量子比特的旋转传送到光子量子比特。
"通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上，"Ben 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来间接操纵所有其他光子量子比特。
因为任何量子逻辑门都可以编译成在单个粒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“原子代理量子比特”来运行任何大小的量子程序。为了运行程序，代码被转换为一系列操作，这些操作将光子引导到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，所以同一个设备可以运行许多不同的量子程序。
图 3. 将量子电路编译成要在设备上执行的指令序列的概念图。
(a) 通用目标量子电路。
(b) 分解为单量子比特的等效电路和Cσz门。
(c) 电路进一步分解为一系列散射相互作用。这个序列可以在经典计算机上组装成一个指令集，其中包含六个与物理动作相对应的不同原语。
(d) 量子器件的可控元件是光开关、腔激光器和原子状态读出。
"对于许多光子量子计算机来说，光子通过的物理结构代表了不同的逻辑门，所以如果你想改变正在运行的程序，它通常涉及物理上重新配置硬件，"Bartlett说。"而 在这种全新的设计下，你不需要改变硬件，只需要给机器一组不同的指令。”
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