（圖片來源：網絡 ）

今天的很多量子計算機建造起來很復雜，很難擴大規模，并且需要比星際空間更冷的溫度才能運行。這些挑戰促使研究人員探索構建使用光子（光粒子）工作的量子計算機的可能性。 光子可以很容易地將信息從一個地方傳遞到另一個地方，光子量子計算機可以在室溫下運行，因此這種方法很有希望。然而，盡管人們已經成功地為光子創建了單獨的量子"邏輯門"，但用 光子構建大量邏輯門并以可靠的方式連接它們以執行復雜的計算，還是一個技術難題。

近日，斯坦福大學的研究人員已經提出了一種更簡單的光子量子計算機設計方案，并可沿用現成的組件。 根據11月29日發表在期刊Optica上的一篇論文，他們提出的設計使用激光來操縱單個原子，而單個原子又可以通過一種稱為"量子隱形傳態"的現象來修改光子的狀態。該原子還可以被重置并復用于許多量子門，從而無需構建多個不同的物理門，大大降低了構建光量子計算機的復雜性。

"通常情況下，如果你想建造這種類型的量子計算機，你必須使用數千個量子發射器，使它們保持完美一致，然后將它們集成到一個巨大的光子電路中，"應用物理學博士生，該論文的第一作者Ben Bartlett說："而 通過這種設計，我們只需要幾個相對簡單的組件，而且機器的尺寸不會隨著你想要運行的量子程序的大小而增加。”

這種非常簡單的設計只需要幾種設備：光纖電纜，分束器，一對光學開關和光學腔。幸運的是，這些組件已經存在，甚至已經在商業上使用，并在不斷改進，因為它們目前也用于量子計算以外的應用。例如電信公司多年來一直致力于改進光纖電纜和光開關。

"這一方案的提出，建立在人們為改進這些組件而付出的努力和投資的基礎上，"斯坦福工程學院教授，該論文的資深作者Shanhui Fan說。"它們不是專門用于量子計算的新組件。”

全新的設計

斯坦福科學家的設計由兩個主要部分組成：存儲環和散射單元。 存儲環的功能類似于普通計算機中的內存，是一個光纖環路，其中包含圍繞環傳播的多個光子。類似于在經典計算機中存儲信息的比特，在這個系統中，每個光子代表一個量子比特。光子圍繞存儲環的行進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存在，因此單個光子可以同時向兩個方向流動，這表示同時是0和1的組合的值。

圖 1. 本工作中描述的光子量子計算機架構。

(a) 設備的物理設計。光子量子比特通過光纖存儲環反向傳播，光開關可以選擇性地引導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) 原子的能量結構：Ω1 與腔模和光子載波頻率共振，而 Ω0是遠失諧的。

(c) Bloch 球體對光子量子比特狀態的描述{ | ↻ ⟩ , | ↺ ⟩ }基礎和一個通過散射單元應用的操作。關于旋轉 移相器和分束器施加固定角度（灰色），而旋轉 以可控角度θ（純紅色）使用腔激光器應用于原子。投影測量原子將此旋轉傳送到光子上，但可能會超過目標角度θ經過π （紅色虛線）取決于測量結果 m. 這個操作是一個通用的原始單量子比特：通過組合多個此類操作，并根據測量結果調整后續的旋轉角度，可以確定性地構建任意的單量子比特門。

研究人員可以通過將光子從存儲環引導到散射單元來操縱光子，在那里它傳播到包含單個原子的空腔。 然后，光子與原子相互作用，導致兩者"糾纏"，這是一種量子現象，其中兩個粒子甚至可以在很遠的距離上相互影響。然后，光子返回存儲環，再用激光改變原子的狀態。因為原子和光子是糾纏在一起的，所以操縱原子也會影響其配對光子的狀態。

圖 2. 對應于光子穿過散射單元一次的量子門序列。投影測量將應用于原子量子比特的旋轉傳送到光子量子比特。

"通過測量原子的狀態，你可以將操作傳送到光子上，"Ben Bartlett說。"所以我們 只需要一個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。

因為任何量子邏輯門都可以編譯成在單個粒子上執行的一系列操作，所以原則上，你可以只使用一個可控的“原子代理量子比特”來運行任何大小的量子程序。為了運行程序，代碼被轉換為一系列操作，這些操作將光子引導到散射單元并操縱原子量子比特。 因為你可以控制原子和光子相互作用的方式，所以同一個設備可以運行許多不同的量子程序。

圖 3. 將量子電路編譯成要在設備上執行的指令序列的概念圖。

(a) 通用目標量子電路。

(b) 分解為單量子比特的等效電路和Cσz門。

(c) 電路進一步分解為一系列散射相互作用。這個序列可以在經典計算機上組裝成一個指令集，其中包含六個與物理動作相對應的不同原語。

(d) 量子器件的可控元件是光開關、腔激光器和原子狀態讀出。

"對于許多光子量子計算機來說，光子通過的物理結構代表了不同的邏輯門，所以如果你想改變正在運行的程序，它通常涉及物理上重新配置硬件，"Bartlett說。"而 在這種全新的設計下，你不需要改變硬件，只需要給機器一組不同的指令。”