研究人员开发了一种通用量子门

量子门允许光粒子相互作用

通用量子门:马克斯·普朗克物理学家利用谐振器中的一个原子作为介质,使两个光子(右)相互作用。谐振腔由两个反射镜组成,在它们之间有一个激光捕获原子。来源:Stephan Welte/MPI量子光学

科学家们现在已经开发出一种通用量子门,它可能成为量子计算机的关键部件。

轻粒子完全忽略彼此。为了使这些粒子在处理量子信息时能够相互交换,加兴马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员现在开发了一种通用量子门。量子门是量子计算机的基本组成部分。与其他量子信息载体相比,用光子(即光粒子)来转换它们具有实际优势。

星球大战传奇中绝地和西斯的光剑之战很可能暗示着一些不同的东西,但光束不会相互注意。无论强度有多高,它们都会毫无阻碍地相互切割。当单个轻粒子相遇时,量子信息技术的某些应用需要这样做,但什么也不会发生。因此,光子不能像那样相互切换,如果要用它们来操作量子门(量子计算机的基本计算单元),就必须这样。

量子计算机可以比传统计算机更快地掌握某些任务,例如搜索数据库。物理学家们已经为未来的超级计算机开发了量子门,例如使用钻石中的氮原子作为杂质作为最小的计算单元。但是,马克斯·普朗克量子光学研究所Gerhard Rempe分部的一个研究小组的负责人斯蒂芬·里特(Stephan Ritter)说,“使用光子进行量子计算机将具有实际优势。”。“这是因为量子信息必须以光子的形式才能远距离传输。如果我们也能用光子来处理它,我们就不必为了计算而将它转移到其他载体,如原子。”

一个原子在共振器中,光粒子之间的介质

为了让光子首先感知到彼此的存在,更不用说相互交换了,它们需要介质。在斯蒂芬·里特(Stephan Ritter)的物理学家团队进行的实验中,谐振器中的单个原子承担了这种中介作用。谐振器由两个相隔0.5毫米的镜子组成。基于加兴的研究人员使用激光束在谐振器中捕获原子。

在他们的实验中,科学家们现在需要两个携带一个量子位元的光子。量子位是传统计算机位的量子力学等价物。然而,它不仅可以对0和1进行编码,还可以假设在0和1之间的所有可能状态。研究人员将两个量子位元的状态写入两个光粒子的偏振,即电磁波的振荡方向。

马克斯·普朗克物理学家将这两个光子一个接一个地送到原子和谐振器系统中。因此,第一个光子通过改变原子的状态将信息传递给原子——但前提是光子具有正确的偏振。当第二个光子在短时间后撞击到原子和谐振器系统时,这种变化就会对它的偏振产生影响。

量子门以一种确定的方式运行

“我们的系统之所以成为一个通用量子门,是因为第二个光子也可以将信息传递到第一个光子上,”巴斯蒂安·哈克说,他进行了这项实验,作为他博士论文的一部分。为此,科学家们在光粒子在谐振器反射后,首先将这两个光子存储在一根超过一公里长的光纤中。同时,他们对原子进行测量,这也会影响两个光子的偏振状态,由于量子力学的惊人性质。与传统钻头的情况一样,只有两种可能的测量结果。它们为研究人员提供了可靠的信息,关于他们可以利用第一个光子的偏振旋转来完成门的操作。

“我们的量子门以一种确定的方式运行,”Stephan Ritter说。这意味着科学家可以可靠地预测光粒子在量子门中会经历哪些变化,这取决于输入光子的原始偏振。此外,门对所有与捕获的原子撞击谐振腔的光子进行这些操作——至少在原则上是这样。在现实中,不可避免的技术缺陷降低了量子门的效率和操作精度。然而,研究人员已经对如何改善量子门的两个特性有了一些想法:例如,使用损耗更低的镜子,或者使用比光纤效率更高的光子存储设备。然而,在物理学家已经实验过的光子之间的量子门的其他实现中,误差是固有的,因为在这里总是有机会发挥作用。

两个实验证明了量子门的可靠性

加兴的研究人员进行了两项实验,以证明他们的量子门已经运行得多么可靠。量子门在这里执行的操作只取决于两个输入光子的偏振情况。

在一个实验中,研究人员将第一个光子圆极化,使其振荡方向要么顺时针旋转,要么逆时针旋转。第二个光子是线偏振的,也就是说,它在水平或垂直平面上振荡。在具有这些输入态的光子对上,量子门的作用类似于CNOT操作,其中第一个量子位控制第二个量子位。这是因为,取决于第一个光子旋转的方向,量子门会翻转第二个光子的偏振——例如,从垂直方向到水平面——或者不会。CNOT门对于量子计算机来说是必不可少的,因为它们可以用来执行所有的逻辑操作。

在第二个实验中,Garching的研究人员将两个光子线性极化。在这样的输入态下,量子门使这两个光子纠缠在一起。纠缠的光子不再能够被描述为彼此独立的,而是只有一个共同的状态——无论两个光粒子之间的距离有多远。正如纠缠让我们的想象力面临考验一样,对于量子计算机来说,它也是像CNOT门一样不可或缺的组成部分。“只有量子位元的纠缠才能展现量子计算机的强度,”斯蒂芬·威尔特说,他也在自己的博士论文中对这些实验做出了重要贡献。

谐振腔中的原子是量子计算机的关键元件

“有了量子门,我们现在就有了光学量子计算机的关键元素,”加兴马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)所长格哈德·雷姆佩(Gerhard Rempe)说。然而,这种量子计算机要以超过任何传统计算机的速度完成某些计算任务,还需要一段时间;尤其是因为这需要量子门更可靠地计算。尽管如此,格哈德·雷姆佩对于如何用谐振器中的原子来操作这样的超级计算机已经有了明确的想法。这并不需要很多这样的系统,每个系统都可以很容易地填满一个实验室。“逻辑运算可以通过谐振器中的单个原子一个接一个地进行,”格哈德•雷姆佩说。

欧盟委员会显然也相信这些量子技术概念是有未来的。该公司计划在一段时间内投资10亿欧元用于该项目的开发。十年。这笔资金还可以加快实现超高速量子计算机的进程,这也是加兴的Stephan Ritter和他的同事们所希望的。

出版:Bastian Hacker等人,《基于光学谐振器中单个原子的光子量子门》,《自然》(2016)doi: 10.1038 / nature18592

研究报告的PDF版本基于光谐振腔中单个原子的光子-光子量子门

8评论关于“研究人员开发出一种通用量子门”

  1. 什么东西可以被完全忽略,却又有互动(?)

  2. “然而,它不仅可以对0和1进行编码,还可以假设这两者之间的所有可能状态。”1和0之间是多少?或者它指的是什么状态?

    • 它可以处于“叠加”状态,包括开启和关闭状态……状态1、0和两者。正如我们观察粒子时,它们只处于给定的位置。

    • 只有0或1,我们有一个基数为2的数字系统,即二进制代码。例如,2^10=1024,这是数字千。在0、1或任何分数之间,我们有一个基本的无限数字系统。当然,在现实生活中,我们只能应用有限基数的数字系统,这将通过选择0和1之间以及0和1之间的任何所需分数来实现。

  3. 人们应该永远记住,观察者是一个具有量子相互作用的波函数。观察者与被观察者在量子层次上相互作用。

    • 说得好原始的. .说得好,这太疯狂了,太神奇了,我等不及看到64qbit系统完成后的威力了,游戏改变者

  4. CNOT量子门将与传统/经典计算机中的与非门(反相器)相对应。

  5. 氢水或水晶声振动润滑

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