未来的量子计算机将能够执行当今计算机无法完成的计算。包括破解当前用于网上交易安全的加密的能力，以及有效解决经典计算机无法解决的大规模计算难题。近日发表在《Nature Physics》期刊的论文显示，Weizmann科学研究所Barak Dayan教授的量子光学实验室的研究可能通过提供这种量子计算机内部和之间的通信所需的“量子门”，使量子计算机的发展更进一步。
这正是此前文章中所提到的“传送门”
与只有两种状态的经典比特不同，量子比特可以同时对应于零和一的多种状态（在这里我需要重提一下量子比特的概念，虽然我们常常将比特与量子比特作比较说明，但是处于叠加状态的量子比特不代表逻辑1或0，相反，它代表的是测量时结果是逻辑1或0的概率）。这种现象被称为量子叠加，正因为这种独特的量子行为，由量子比特组成的量子计算机才可以通过并行计算执行大量操作。
但其中隐藏了一个问题：量子叠加态只有在外部世界不以任何方式观察或测量时才能存在，否则所有可能的量子叠加太会瞬间崩塌成单个状态。这造成了相互矛盾的要求：我们为了使量子比特保持其叠加态，需要将它们完美地隔离开，但同时它们又需要与其他的量子比特进行“交流”。
这就是为什么尽管目前已经有数家实验室和公司向公众展示了具有几十个量子比特的小型量子计算机，但将这些量子计算机集成或扩展到数百万量子比特所需的规模仍然是一个非常巨大的科学和技术难题。
一种极具前景的解决方案是使用具有少量，可管理的量子比特的隔离模块，在有需要时则通过光学链路相互“交流”。存储在材料量子比特（例如单个原子或离子）中的信息然后将被转移到被称为“飞行量子位（flying qubit）”的光子的单光量子中。这个光子可以在不让环境感知信息的本质的情况下，通过光纤发送到远处材料量子比特（以两种基态编码）并转移，创建这样一个系统的挑战是单个光子携带极少量的能量，而这个微小系统中所包含材料量子比特通常不会与弱光相互作用。
实验方案与装置
Dayan量子光学实验室正是世界上少数几个完全致力于解决这一科学挑战的研究团队之一。他们的实验装置将单个原子与芯片上独特的微米级二氧化硅谐振器相互耦合，将光子通过特殊的光纤直接发送到这些谐振器上。在之前的实验中，Dayan和他的研究团队成功展示了他们的系统作为单光子激活开关的功能，以及从闪存中“采集”单个光子的方法。此次发表的论文显示，Dayan和他的团队第一次成功地创建了一个逻辑门，其中光子和原子能够自动交换它们携带的信息。
Barak Dayan教授
Dayan教授和他的研究团队
“光子携带一个量子比特，原子是第二个量子比特，”Dayan教授说。“每次光子和原子相遇时，它们会自动地同时交换它们之间的量子比特，然后光子将携带新的信息仅需前进。在量子力学中，信息无法被复制或删除，所以之前提到的交换信息实际上是量子计算当中读写的最基本单位——门。”即，交换操作是单一的，其中原子的（任意）初始状态不会通过与经典场的相互作用而丢失，而是与输入光子携带的新状态的“写入”，同时转移到输出光子。
实验结果显示他们成功的将光子量子比特中的信息交换到原子，同时保证在两个方向上超过2/3的经典阈值的保真度。在这个写入和读取过程中，带有原子量子比特读出的返回光子也预示着写入光子的成功。
这种类型的逻辑门——SWAP门，可用于在量子计算机内和之间交换量子比特。特别地，由于这种逻辑门并不需要外部来控制场或着说管理整个系统，因此我们可以构建超大规模集成（VLSI）网络的量子等价物。非常适用于可扩展的“数字电路”量子网络，其中来自一个节点的输出光子量子位可以立即用作下一个节点的输入。因此，“我们演示的SWAP门适用于所有类型的基于物质的量子比特之间的光子通信。”Dayan教授深信，“它将成为下一代量子计算系统的重要组成部分。”
本文来自量子大观（微信公众号：C114-quantum）
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