原子|一种新的“简化”量子计算机电路将单个原子与多个光子纠缠在一起华中科技大学|医工|鲍捷|阿尔

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量子计算机有朝一日可能会把乏味的老式经典计算机淘汰出局，但到目前为止，它们的复杂性限制了它们的用途。最近，斯坦福大学的工程师们已经展示了一种新的、相对简单的量子计算机设计，在这种计算机中，单个原子与一系列光子纠缠在一起，以处理和存储信息。
量子计算机利用量子物理学的奇妙世界，以比传统计算机快得多的速度进行计算。现有的机器以比特的形式存储和处理信息，要么是1，要么是0，量子计算机使用量子位，量子位可以同时以1、0或1和0的叠加形式存在。这意味着每增加一个量子位，它们的能力就会呈指数级增长，这使得它们能够解决传统计算机无法解决的问题。
当然，量子计算机也带来了自己的挑战。首先，它们运行的量子效应对振动或热量等干扰很敏感，所以量子计算机需要保持在接近绝对零度的温度。因此，它们的复杂性会随着机器的计算能力而扩展，随着处理能力的增加，它们在物理上也会变得更大、更笨重。
但斯坦福大学的研究小组表示，他们的新设计要简单得多。它是一种光子电路，使用现有的一些组件（一根光缆、一个分束器、两个光开关和一个光腔）制成，它可以减少所需的物理逻辑门的数量。
该研究的主要作者本·巴特利特（Ben Bartlett）表示：“通常情况下，如果你想要建造这种类型的量子计算机，你必须取下数以千计的量子发射器，使它们完全无法区分，然后将它们集成到一个巨大的光子电路中。而采用这种新设计，我们只需要几个相对简单的组件，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。”
新设计由两个主要部分组成：一个储存光子的环和一个散射单元。光子代表量子比特，它们绕环行进的方向决定了它们的值是 1 还是 0 —— 或者如果它同时向两个方向行进，这要归功于量子叠加的怪癖。
为了对光子的信息进行编码，系统可以引导光子出环进入散射单元，在散射单元中，它们进入一个包含单个原子的腔体。当光子与原子相互作用时，它们就会发生纠缠，这是一种量子状态，在这种状态下，两个粒子不能再分开描述，对其中一个粒子的改变会影响它的伙伴，无论它们之间的距离有多远。
实际上，在光子返回存储环后，它可以通过激光操纵原子来“写入”。该团队表示，一个原子可以重置和再利用，操纵同一个环中的许多不同光子。这意味着量子计算机的功率可以通过向环中添加更多的光子来放大，而不需要添加更多的环和散射单元。
本·巴特利特表示：“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位，我们可以用它作为代理，间接操纵所有其他光子量子位。”
重要的是，这个系统应该能够运行各种量子操作。该团队表示，通过编写新的代码来改变原子和光子相互作用的方式和时间，不同的程序可以在同一个电路上运行。
【原子|一种新的“简化”量子计算机电路将单个原子与多个光子纠缠在一起】本·巴特利特说：“对于许多光子量子计算机来说，门是光子通过的物理结构，所以如果你想改变正在运行的程序，通常需要重新配置硬件。而在这种情况下，你不需要改变硬件 —— 你只需要给机器一组不同的指令。”
更好的是，光子量子计算机系统还可以在室温下运行，消除了极端冷却系统所增加的体积。