“对于许多光子量子计算机来说，光子通过的物理结构代表不同的逻辑门

今天的许多量子计算机构建起来很复杂，难以扩大规模，并且需要比星际空间更冷的温度才能运行。 这些挑战促使研究人员探索构建使用光子（光粒子）工作的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传输到另一个地方，而光子量子计算机可以在室温下运行，因此这种方法很有前途。 然而，虽然人们已经成功地为光子创建了单独的量子“逻辑门”，但用光子构建大量逻辑门并将它们以可靠的方式连接起来以执行复杂的计算一直是一项技术挑战。

斯坦福大学的研究人员已经为使用现成组件的光子量子计算机提出了一种更简单的设计。 根据 11 月 29 日发表在 Optica 杂志上的一篇论文，他们提出的设计使用激光来操纵单个原子，进而可以通过一种称为“量子隐形传态”的现象来改变光子的状态。 原子还可以被重置并重复用于许多量子门，无需构建多个不同的物理门，大大降低构建光量子计算机的复杂性。

“通常情况下，如果你想建造这种类型的量子计算机，你必须使用数千个量子发射器量子计算机对比特币摧毁，让它们完美对齐，然后将它们集成到一个巨大的光子电路中，”应用物理学博士生说，“有了这个设计，我们只需要一些相对简单的组件，机器的大小不会随着你要运行的量子程序的大小而增加，”该论文的第一作者 Ben Bartlett 说。

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，甚至已经投入商业使用，并且还在不断改进，因为它们目前也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。

“这项提议建立在人们为改进这些组件所做的努力和投资的基础上，”斯坦福工程学院教授、该论文的资深作者范山辉说。 “它们不是专门用于量子计算的新组件。”

新设计

斯坦福大学科学家的设计包括两个主要部分：存储环和散射单元。 存储环的功能类似于普通计算机中的内存，它是一个光纤回路，包含多个围绕环传播的光子。 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。 光子绕存储环行进的方向决定了量子比特的值，可以为0也可以为1。此外，由于光子以叠加态存在，单个光子可以同时沿两个方向流动，这表示同时为 0 和 1 的组合的值。

图 1. 本文中描述的光子量子计算机架构。

(a) 设备的物理设计。 光子量子位通过光纤存储环反向传播，光开关可以选择性地引导光子通过散射单元与腔内的原子相互作用，由激光相干控制。

(b) 原子的能量结构：Ω1与腔模和光子载频共振，而Ω0远失谐。

(c) 光子量子比特态的 Bloch 球面描述 , | 基础和散射单元应用的操作。关于旋转

移相器和分束器施加固定角度（灰色）量子计算机对比特币摧毁，同时旋转

在可控角度 θ

（纯红色）使用腔激光器应用于原子。 投射测量原子将此旋转转移到光子上，但可能会超过目标角度 θ π（红色虚线），具体取决于测量 m。 这个操作是一个通用的原始单量子比特：通过组合几个这样的操作，并根据测量调整后续的旋转角度，允许确定性地构建任意单量子比特门。

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，在那里它传播到包含单个原子的空腔。 然后光子与原子相互作用，导致两者“纠缠”，这是一种量子现象，其中两个粒子甚至可以在很远的距离上相互影响。 然后光子返回存储环，在那里使用激光改变原子的状态。 因为原子和光子是纠缠在一起的，所以操纵原子也会影响成对光子的状态。

图 2. 对应光子一次通过散射单元的量子门序列。 投影测量将应用于原子量子位的旋转转移到光子量子位。

“通过测量原子的状态，您可以将操作传输到光子上，”Ben Bartlett 说。 “所以我们只需要一个可控的原子量子位，我们可以将其用作间接操纵所有其他光子量子位的代理。

因为任何量子逻辑门都可以编译成在单个粒子上执行的一系列操作，原则上，您可以仅使用一个可控的“原子代理量子位”运行任何大小的量子程序。 为了运行该程序，代码被翻译成一系列操作，这些操作将光子引导到散射单元并操纵原子量子位。 因为你可以控制原子和光子如何相互作用，所以同一台设备可以运行许多不同的量子程序。

图 3. 将量子电路编译成要在设备上执行的指令序列的概念图。

(a) 通用量子电路。

(b) 分解为单量子位等效电路和 Cσz 门。

(c) 电路进一步分解为一系列散射相互作用。 这个序列可以在经典计算机上组装成一个指令集，该指令集由对应于物理动作的六个不同原语组成。

(d) 量子器件的可控元件是光开关、腔激光器和原子状态读出器。

“对于许多光子量子计算机而言，光子通过的物理结构代表不同的逻辑门，因此如果你想更改正在运行的程序，通常需要对硬件进行物理重新配置，”巴特利特说。 “有了这个新设计，你不需要改变硬件，你只需要给机器一组不同的指令。

光子量子