斯坦福团队介绍结构精简的光子量子计算机 可轻松实现性能扩展

量子计算机有望在未来某一天将传统计算机远远抛在身后，但到目前为止，过于复杂的特性，还是限制了它的实用性。好消息是，斯坦福大学的一支工程师团队，刚刚介绍了一种相对新颖且简单的量子计算机设计。其中单个原子与一系列光子纠缠在一起，以处理和存储信息。

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得益于量子物理学的奇妙特性，量子计算机能够执行较传统计算机快得多的计算。而且在信息的存储和处理上，传统计算机只具有“0”和“1”这两种状态，但量子计算机还可以两者兼顾。

这意味着量子计算机的计算能力，会随着量子比特（qubit）的增加而呈现指数级的增长，从而使之能够解决经典计算机无法解决的诸多问题。

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与此同时，量子计算机也面临着巨大的挑战。一方面，量子计算机运行所依赖的量子效应，对振动或热量等干扰非常敏感，因而现阶段只能努力将之维持在接近绝对零度的环境中。

另一方面，量子计算机的复杂性，会随着机器计算能力的扩展而急剧增加，导致它们的物理尺寸也更大、更笨重。

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好消息是，斯坦福团队表示，他们的新设计已经相当简单。而且作为一个光子电路，它能够使用某些现成的组件来打造 —— 包括一根光缆、一个分束器、两个光开关、以及一个光腔。

如此一来，这套设计就能够减少量子计算机所需的物理逻辑门的数量。研究一作 Ben Bartlett 表示：“通常情况下，如果你想要构建这种类型的计算机，动辄需要使用数以千计的量子发射器，并将之集成到一个巨大的光子电路中”。

而斯坦福研究团队的新方案，只需动用一些相对简单的组件，且机器大小不会随着需要运行的量子程序的大小而增加。

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如图所示，新设计主要由两个部分组成。其一是存储光子的环和散射单元。光子代表着量子比特，且通过绕环行进的方向来决定“0”或“1”的状态。若同时向着两个方向行进，就表明光子呈现了量子叠加态。

为了对光子信息进行编码，系统可将它们引导出环、进入散射单元，然后使之进入包含单个原子的腔。当光子与原子相互作用时，它们会发生纠缠。

在这种量子状态下，两个粒子不再能分开描述。对一个粒子所做的改变，会影响与它结对的那个粒子，而不论它们之间相隔有多远。

光子量子计算机动图（15s 视频 via）

在光子返回存储环后，设备还可通过激光操纵原子，以完成“写入”操作。研究团队指出，一个原子能够被重置和重复使用，且他们能够在一个环中操纵许多不同的光子。

这意味着量子计算机的计算能力，可以通过向环中添加更多光子来实现规模扩张，而不是鲁莽地配备更多环和散射单元。

更重要的是，这套系统提供应该能够运行各种量子操作。通过编写新代码来改变原子与光子相互作用的方式和时间，就可以在在同一电路上运行不同的程序。

研究生 Ben Bartlett / 电气工程教授 Shanhui Fan（来自：Stanford University）

Ben Bartlett 补充道：“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上。因而我们只需一个可控的原子量子比特，并将它作为代理，来间接操纵所有其它光子量子比特”。

对于许多光子量子计算机来说，门就是光子所穿过的物理结构。此时如果你想改变正在运行的程序，通常就需要对硬件进行重新配置。

而在斯坦福的新方案下，你并不需要改变硬件 —— 只需向机器传递一组不同的指令即可。更棒的是，量子量子计算机系统可在室温下运行，从而消除了对体积异常庞大的极端冷却系统的需求。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《Optica》期刊上，原标题为《Deterministic photonic quantum computation in a synthetic time dimension》。

关键词： 科学探索 斯坦福团队介绍结构精简的光子量子计算机 可轻