未来的量子计算机不仅有望解决特别棘手的计算任务，而且还将连接到网络以进行数据的安全交换。原则上，量子门可用于这些目的。但直到现在，还无法以足够的效率实现它们。通过多种技术的复杂组合，马克斯普朗克量子光学研究所 (MPQ) 的研究人员现在朝着克服这一障碍迈出了重要一步。

几十年来，随着计算机不断的更新迭代，计算机变得越来越快、越来越强大。这种发展使得不断开辟新应用成为可能，例如在具有人工智能系统。但是，通过现有的计算机技术，要取得进一步的进展越来越困难。出于这个原因，研究人员现在将目光投向了替代的、全新的概念，这些概念可以在未来用于一些特别困难的计算任务。这些概念包括量子计算机。

它们的功能不像传统的微电子计算机那样基于数字 0 和 1（经典位）的组合。相反，量子计算机使用量子比特，作为编码和处理信息的基本单位。它们是量子世界中比特的对应物，但在一个关键特征上与它们不同：量子比特不仅可以假定两个固定值或状态，例如0或1，还可以假定介于两者之间的任何值。原则上，这提供了同时执行许多计算过程的可能性，而不是处理一个接一个的逻辑操作。

光量子比特的防窃听通信

“有多种方法可以物理实现量子比特的概念，” Thomas Stolz 说，他一直在加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)从事量子计算机基础研究。“其中之一就是光子。”在他们的研究中，Stolz 和他在 Stephan Dürr 博士和 MPQ 主任 Gerhard Rempe 教授领导的团队中的同事也依赖于可见光谱范围内的这种光粒子。“光子在量子计算机中作为信息载体的一个优势是它们彼此之间以及与环境的相互作用低，”Stolz 解释说。“这可以防止量子比特存在所必需的相干性被外部干扰迅速破坏。” 此外，光子可以长距离传输，例如在光纤中。“这使它们成为构建量子网络的特别有希望的候选者，”Stolz 说：“通过多台量子计算机的连接，可以无条件安全地传输加密数据，并可靠地防止窃听尝试。”

量子门是量子计算机和量子网络的基本组成部分。它们的操作模式与传统计算机中使用的逻辑门相对应，但它们是根据量子位元的特殊属性定制的。Stephan Dürr 解释说：“在俘获离子或超导材料中实现量子比特的量子门是目前技术最先进的，然而，用光子实现这样的元素更具挑战性。” 因为在这种情况下，弱交互的优势变成了明显的劣势。因为，为了能够处理信息，光粒子必须能够相互影响。MPQ的研究人员在一篇论文中展示了如何有效实现这一目标，该论文现已发表在开放获取的《物理评论X》杂志上。

以前试图将两个光子相互连接的量子门的尝试只取得了部分成功。他们的主要问题是效率低，最多只有 11%。这意味着大部分光粒子以及数据在量子系统中处理时都会丢失——这是一个缺点，尤其是当在量子网络中连续连接多个量子门并且损失加起来时结果。“相比之下，我们首次成功实现了平均效率超过 40% 的光学双量子比特门，”Stephan Dürr 报告说，这几乎是之前记录的四倍。

图：实验装置。根据量子比特的初始状态，光子沿着不同的路径传播，其中一些被谐振器反射。在这条路径中，光子经历由里德堡态介导的相互作用。

谐振器中的超冷原子

Stolz解释道:“这一成功的基础是非线性组件的使用。它们包含在一个新的实验平台中，MPQ团队专门为实验开发并安装在实验室中。在此过程中，研究人员能够利用他们在 2016 年和 2019 年发表的先前工作的经验。由此得出的一个发现是，使用一种冷的原子气体对光子信息处理是有用的，在这种气体中，一些原子被高能量地激发。Stolz解释说:“原子介导了光子之间必要的相互作用。然而，以前的工作也表明，原子的密度不能太高，否则编码信息会在原子之间的碰撞中迅速消失。”因此，研究人员现在使用低密度的原子气体，他们将其冷却到0.5微开尔文的温度，即零下273.15摄氏度，比绝对零度高出50万分之一度。Stolz报告说:“作为光子之间相互作用的附加放大器，我们将超冷原子放置在光学谐振器的镜子之间。”

这导致了实验的成功，其中量子门分两个步骤处理光学量子比特：第一个光子，称为控制光子，被引入谐振器并存储在那里。然后，称为目标光子的第二个光子进入装置并从谐振器镜面反射——“相互作用发生的那一刻，”Stolz强调说。最后，两个光子连同印在它们上面的信息一起离开了量子门。为了使它起作用，物理学家使用了另一个技巧。这是基于气体原子的电子激发到非常高的能级，称为里德堡态。斯托尔兹解释说:“这导致经典图像中的激发态原子无限膨胀。”它的半径可达一微米，是正常原子大小的几千倍。以这种方式膨胀的谐振器中的原子使得光子可以对彼此产生足够强的影响。然而，这最初仅导致相移。此外，光线被分成不同的路径，然后叠加在一起。只有在这种叠加过程中，量子力学干涉才能将相移转化为量子门。

目标：可扩展的量子系统

在实验之前，研究人员进行了详细的理论分析。MPQ团队专门开发了一个综合理论模型来优化新研究平台的设计过程。进一步的理论研究显示了研究人员希望在未来提高其光量子门效率的方法。他们还想了解如何通过同时处理大量量子比特来将量子门扩展到更大的系统。“到目前为止，我们的实验已经表明，这在原则上是可行的，”该研究小组主任 Gerhard Rempe 说。他坚信：“我们的新发现将在基于光的量子计算机和量子网络的发展中发挥巨大作用。”

原文链接：https://phys.org/news/2022-05-efficient-optical-quantum-gates.html

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