科學家最新發明通用量子門，可用作光量子電腦CPU

編者按：量子計算機相較於傳統計算機，在完成類似數據檢索等任務上有著明顯的速度優勢。而要組建一台量子計算機，量子門*是必不可少核心元素，因此已經有不少物理學家們為此而努力，並獲得了一些成果，比如說，在鑽石里加入氮原子，並用這些氮原子「雜質」作為最小計算單元等。

*編者註：量子門對於量子計算機來說，類似於是我們現在普通計算機裡面所用到的邏輯門，可以單獨或組合使用，用以實現各種簡單或複雜的邏輯運算。

相較於其他的信息載體，如果直接使用光子來直接操控這些「門」，會帶來許多實際應用上面的便捷。比如，由於大距離信息傳輸目前通常都是通過光子完成的（比如大家都知道的光纖），因此如果可以直接用光子完成所有操作，就可以省去從其他信息載體向光子轉移信息的步驟了。

然而光子是一種我行我素，完全無視同類的東西。當絕地武士和西斯在《星球大戰》里用激光劍對砍時，熒幕前的科學家們其實心裡是不以為然的（DT君其實一直很奇怪為什麼《生活大爆炸》里現在還沒有用到這個梗）。在現實世界裡，無論光的強度多大，光子密度多高，光子們都是對同類不理不睬的。換句話說，用激光劍決鬥的結果幾乎只有兩敗俱傷一途——兩劍相交，絲般划過，然後，也許是一個斷腿，另一個斷胳膊。因此，為了造出一個光子可以使用的量子門，科學家們也是絞盡腦汁，想盡辦法才最終讓光子們「互訴衷腸」。

但是這一難題被自德國馬克思?普朗克量子光學研究所的科學家們解決了，研究組的負責人是史蒂芬?利特（Stephan Ritter），他目前是量子光學研究所傑哈德?藍珀（Gerhard Rempe）教授下屬的課題組組長。他們成功實現了兩個光子之間的信息交換，並發明了一款可用於全光量子信息運算的「通用量子門」*（unviersal quantum gate）。

相關論文於今年7月6日發表在《Nature》。

史蒂芬?利特（Stephan Ritter）的團隊解決了光子間的信息交換這一核心難題，他們發明的可應用於光子的量子門能夠完成諸多的相關運算。

「有了這個通用量子門，我們就擁有了未來光量子計算機的基石。」加爾辛馬克思?普朗克研究所所長傑哈德?藍珀說道，「光量子網路內的光子可以將網內的任意數量的節點連在一起，最終形成一台可擴展的光量子計算機，而這個量子門可以用作這台計算機的中央處理器（CPU）。」

歐洲委員會也意識到了這項概念全新的量子技術的美好未來。委員會打算為這項預期進行10年的科研項目投入10億歐元。這份巨額項目經費將有可能讓超快速量子計算機提前來臨——這當然也是史蒂芬?利特和他在加爾辛的同事們所期待的。

下面我們就來看一看這些科學家們是如何一步一步攻克難關的。

關在諧振腔里的單原子成了英雄中間人

我們還是回到整個課題的核心難題，如何讓光子間進行信息交換。要完成這一步，首先是要讓它們「看得見」彼此，這個時候我們就需要一個「中間人」（mediator）。在史蒂芬?利特小組的實驗里，這個中間人是由一個在諧振腔中的單原子完成的。諧振腔是由兩面相隔0.5毫米的鏡子組成，而這顆單原子是這群加爾辛（Garching，馬克思?普朗克量子光學研究所所在地）的科學家們用一束激光「關」進去的。

按照實驗設計，科學家們首先需要兩個光子，分別作為一個「量子比特」。量子比特與傳統計算機裡面的比特類似，不同之處在於它不再局限於非1即0的編碼方式，而是可以包含0和1之間的所有狀態。科學家們把這兩個量子比特的狀態用相對應兩個光子的偏振進行了編輯。具體實現的方式有很多，比如，從相應偏振角度的電磁波源中選取光子。

於是實驗開始了，馬克思?普朗克研究所的物理學家們將兩個光子一前一後送入帶有單原子的諧振腔中。首先進入的光子如果具有特定的偏振角度，就會通過改變這個單原子狀態（外層電子能級等）的方式，將信息傳給這它。當第二個光子進入諧振腔，與單原子發生碰撞的時候，第一個光子先前造成的單原子的狀態變化將會影響第二個光子的偏振。於是，第一個光子藉由了這個單原子，與第二個光子完成了「溝通」。

以確定方式運行的光子門

「我們的系統之所以能成為通用量子門，是因為兩個光子可以相互傳遞信息，從第一個到第二個可以，反之亦然。」巴斯蒂安·哈克（Bastian Hacker）說道，本次實驗是他博士論文的一部分。

他所說的從第二個光子向第一個光子傳遞信息是這麼實現的——兩個光子在諧振腔中完成反射後，將它們儲藏在長約1.2公里的光纖內（時間為幾毫秒）。與此同時，他們對單原子狀態進行測量，基於量子力學的神奇特性，這個測量將會反饋到第一個光子的偏振角度。在測量完成後，兩個光子的偏振角度都變為了確定值。按照這樣的流程，可以進行一系列的實驗，幫助科學家們以決定第一個光子需要什麼樣的偏振角度才能完成量子門的操作。

「我們的量子門是確定的方式工作的。」史蒂芬·利特說。這句話的意思是，科學家們將能通過入射光子的偏振角度，來準確預測量光子會在量子門中發生什麼樣的變化。

此外，理論上來說，量子門對所有撞擊了諧振腔中的單元原子會產生同樣的影響。但受限於目前的技術能力，量子門的效率和精確度離開理想狀態還有差距，但是科學家們已經想到了一些應對措施：比如使用反射率更高的反射鏡，或者使用比光纖更高效的光子儲存裝置。但在已經完成的量子門實驗中，誤差還是時有發生，畢竟量子力學很難不涉及到概率問題。

量子門的可靠性證明

最後來說一下關於這個量子門的可靠性證明實驗。實驗一共有兩個，而「門」內會進行何種運算則是完全取決於入射光子的偏振角度。

實驗一：研究者們讓第一個光子做圓形偏振，因此振動方向只有順時針或時針（可以表示0和1）。第二個光子則是做線性偏振，因此振動方向是水平或垂直（也可以表示0和1）。兩個光子以這種狀態進入量子門，會使量子門像可控非門（Controlled NOT，簡稱CNOT）**一樣工作：第一個量子比特控制第二個量子比特。這是因為，基於第一個光子的順/逆時針旋轉，量子門會使第二個做水平或垂直偏振的光子產生翻轉。CNOT門是量子計算機重要的元件之一，被用來執行所有的邏輯操作。

**可控非門是量子版本邏輯門的一種，所涉及的兩個量子位元間，一是控制量子位元(control qubit)是|0>，另一是受控的目標位元（target qubit）。保持原狀態。當控制位元是|1>，則目標位元的|0>成分變為|1>，而|1>成分變為|0>。簡單說，就是如果控位元是|1>，則目標位元發生改變。

實驗二：研究者們讓兩個光子都做線性偏振。在這種狀態下，量子門會使兩個光子發生糾纏。在光子糾纏態中，是無法描述單個光子狀態的，只能描述整個體系的共有態，不論兩個光子的距離有多遠。量子糾纏態考驗著人類的想像力，對量子計算機來說，糾纏態猶如CNOT門，是一個不可或缺的組成部分。

「量子比特糾纏釋放了量子計算機的潛力，」史蒂芬·維爾特說道，他在實驗中也發揮了重要作用。

關於光子量子門，利特團隊的成果只是第一步，但確實非常紮實的第一步，一個光量子計算機的時代說不定就始於這第一步。

參考文獻：B.Hacker, S. Welte, G. Rempe and S. Ritter, A photon–photon quantum gate based ona single atom in an optical resonator, Nature 2016, DOI: 10.1038/nature18592.

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