科学探索|斯坦福科学家提出更简单的光子量子计算机设计其将使用现成的组件斯坦福科学家提出更简单的光

根据11月29日发表在《Optica》上的一篇论文，斯坦福大学的研究人员提出了一种更简单的光子量子计算机的设计，其将使用现成的组件。他们提出的设计使用激光来操纵一个原子，而这个原子又可以通过一种叫做“量子隐形传送”(quantum teleportation) 的现象来修改光子的状态。该原子可以被重置并重复用于许多量子门，消除了建立多个不同的物理门的需要，极大地降低了建立量子计算机的复杂性。

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“通常情况下，如果你想建立这种类型的量子计算机，你必须采取潜在的数千个量子发射器，使它们都完全无法区分，然后将它们整合到一个巨大的光子电路中， ”斯坦福大学应用物理学博士候选人和该论文的主要作者 Ben Bartlett说。“而采用这种设计，我们只需要少数相对简单的部件，而且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。”
这个非常简单的设计只需要几件设备：一根光缆，一个分束器，两个光学开关和一个光学共振器。

幸运的是，这些组件已经存在，甚至可以在市场上买到。它们也在不断地被完善，因为它们目前被用于量子计算以外的其他应用。例如，电信公司多年来一直致力于改进光纤电缆和光学开关。
“我们在这里提出的是建立在人们为改进这些组件所做的努力和投资之上， ”该论文的资深作者范汕洄说。“它们不是专门用于量子计算的新部件。”

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一个新颖的设计
科学家们的设计由两个主要部分组成：一个存储环和一个散射单元。存储环的功能类似于普通计算机中的存储器，它是一个光纤环，里面有多个光子，这些光子在环上移动。类似于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。光子围绕存储环的旅行方向决定了量子比特的值，与比特一样，它可以是0或1 。此外，由于光子可以同时以两种状态存在，一个单独的光子可以同时向两个方向流动，这代表了一个同时是0和1的组合的值。
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，光子会到达一个含有单个原子的空腔。然后光子与原子相互作用，使两者成为"纠缠" ，这是一种量子现象，两个粒子甚至可以跨越遥远的距离相互影响。然后，光子回到存储环中，激光改变了原子的状态。因为原子和光子是纠缠在一起的，操纵原子也会影响其配对的光子的状态。
Bartlett说：“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上。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的光子量子比特。”
研究人员指出，因为任何量子门都可以被编译成在原子上执行的操作序列，所以原则上，可以只用一个可控原子量子比特来运行任何规模的量子程序。为了运行一个程序，代码被翻译成一连串的操作，将光子引导到散射单元并操纵原子量子比特。因为可以控制原子和光子的互动方式，同一个设备可以运行许多不同的量子程序。