如今的量子计算机建造起来很复杂，很难扩大规模，而且需要比星际空间更低的温度才能运行。这些挑战促使研究人员 探索 利用光子(光的粒子)建造量子计算机的可能性。光子可以很容易地将信息从一个地方带到另一个地方，而且光子量子计算机可以在室温下工作，所以这种方法很有前途。然而，尽管人们已经成功地为光子创建了单独的量子“逻辑门”，但要构建大量的门并以可靠的方式将它们连接起来，以执行复杂的计算，仍然是一个挑战。
现在，根据11月29日发表在《光学》杂志上的一篇论文，斯坦福大学的研究人员提出了一种使用现成元件的更简单的光子量子计算机设计。他们提出的设计使用激光操纵单个原子，进而可以通过一种被称为“量子隐形传态”的现象改变光子的状态。原子可以被重置并用于多个量子门，从而消除了构建多个不同物理门的需要，大大降低了构建量子计算机的复杂性。
“通常情况下,如果你想要建立这种类型的量子计算机,你可能需要成千上万的量子发射器,使他们完全无法区分,然后将它们集成到一个巨大的光子电路,”本·巴特利特说,一个博士生在应用物理和论文的主要作者。“而在这种设计中，我们只需要几个相对简单的组件，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。”
这种非常简单的设计只需要几件设备:一根光缆、一个分束器、一对光开关和一个光腔。
幸运的是，这些组件已经存在，甚至可以在商业上买到。它们也在不断改进，因为它们目前被用于量子计算以外的应用。例如，电信公司多年来一直致力于改进光纤电缆和光开关。
“我们在这里提出的建议是建立在人们为改善这些部件所付出的努力和投资的基础上，”工程学院Joseph and Hon Mai Goodman教授、该论文的高级作者范善辉(shan - hui Fan)说。“它们不是专门用于量子计算的新组件。”
一个新颖的设计
科学家的设计包括两个主要部分:储存环和散射单元。存储环的功能与普通计算机中的内存类似，它是一个光纤环，包含多个光子，并在环上传播。类似于在经典计算机中存储信息的位，在这个系统中，每个光子代表一个量子位，或“量子位”。光子在存储环上的移动方向决定了量子位的值，量子位就像位一样，可以是0或1。此外，由于光子可以同时以两种状态存在，单个光子可以同时向两个方向流动，这代表一个值同时为0和1的组合。
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它，在散射单元中，光子移动到一个包含单个原子的腔中。然后光子与原子相互作用，导致两者成为“纠缠”，这是一种量子现象，即两个粒子可以相互影响，即使相隔很远。然后，光子返回存储环，激光改变原子的状态。由于原子和光子是纠缠的，操纵原子也会影响其配对光子的状态。
“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上，”Bartlett说。“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。”
因为任何量子逻辑门都可以被编译成在原子上执行的一系列操作，所以原则上，你可以只使用一个可控的原子量子位来运行任何大小的量子程序。为了运行一个程序，代码被翻译成一系列操作，这些操作引导光子进入散射单元并操纵原子量子位。因为你可以控制原子和光子相互作用的方式，同一个设备可以运行许多不同的量子程序。
“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，”Bartlett说。“而在这种情况下，你不需要改变硬件，你只需要给机器一个不同的指令集。”
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。
“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。”
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。
Bartlett表示：“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，往往需要对硬件进行物理上的重新配置。而在这种情况下，你不需要改变硬件--你只需要给机器一套不同的指令。”
