幸運的是，這些組件已經(jīng)存在，甚至已經(jīng)在商業(yè)上使用，并在不斷改進，因為它們目前也用于量子計算以外的應(yīng)用。例如電信公司多年來一直致力于改進光纖電纜和光開關(guān)。?"這一方案的提出，建立在人們?yōu)楦倪M這些組件而付出的努力和投資的基礎(chǔ)上，"斯坦福工程學(xué)院教授，該論文的資深作者Shanhui Fan說。"它們不是專門用于量子計算的新組件。”

全新的設(shè)計

斯坦?？茖W(xué)家的設(shè)計由兩個主要部分組成：存儲環(huán)和散射單元。存儲環(huán)的功能類似于普通計算機中的內(nèi)存，是一個光纖環(huán)路，其中包含圍繞環(huán)傳播的多個光子。類似于在經(jīng)典計算機中存儲信息的比特，在這個系統(tǒng)中，每個光子代表一個量子比特。光子圍繞存儲環(huán)的行進方向決定了量子比特的值，可以是0或1。此外，由于光子處于疊加態(tài)存在，因此單個光子可以同時向兩個方向流動，這表示同時是0和1的組合的值。

(a) 設(shè)備的物理設(shè)計。光子量子比特通過光纖存儲環(huán)反向傳播，光開關(guān)可以選擇性地引導(dǎo)光子通過散射單元與腔中的原子相互作用，腔中由激光相干控制。

(b) 原子的能量結(jié)構(gòu)：Ω1 與腔模和光子載波頻率共振，而 Ω0是遠失諧的。

(c) Bloch 球體對光子量子比特狀態(tài)的描述{ | ??? , | ????}基礎(chǔ)和一個通過散射單元應(yīng)用的操作。關(guān)于旋轉(zhuǎn)

移相器和分束器施加固定角度（灰色），而旋轉(zhuǎn)

以可控角度θ（純紅色）使用腔激光器應(yīng)用于原子。投影測量原子將此旋轉(zhuǎn)傳送到光子上，但可能會超過目標角度θ經(jīng)過π （紅色虛線）取決于測量結(jié)果 m. 這個操作是一個通用的原始單量子比特：通過組合多個此類操作，并根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整后續(xù)的旋轉(zhuǎn)角度，可以確定性地構(gòu)建任意的單量子比特門。

研究人員可以通過將光子從存儲環(huán)引導(dǎo)到散射單元來操縱光子，在那里它傳播到包含單個原子的空腔。然后，光子與原子相互作用，導(dǎo)致兩者"糾纏"，這是一種量子現(xiàn)象，其中兩個粒子甚至可以在很遠的距離上相互影響。然后，光子返回存儲環(huán)，再用激光改變原子的狀態(tài)。因為原子和光子是糾纏在一起的，所以操縱原子也會影響其配對光子的狀態(tài)。

"通過測量原子的狀態(tài)，你可以將操作傳送到光子上，"Ben Bartlett說。"所以我們只需要一個可控的原子量子比特，我們可以用它作為代理來間接操縱所有其他光子量子比特。

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因為任何量子邏輯門都可以編譯成在單個粒子上執(zhí)行的一系列操作，所以原則上，你可以只使用一個可控的“原子代理量子比特”來運行任何大小的量子程序。為了運行程序，代碼被轉(zhuǎn)換為一系列操作，這些操作將光子引導(dǎo)到散射單元并操縱原子量子比特。因為你可以控制原子和光子相互作用的方式，所以同一個設(shè)備可以運行許多不同的量子程序。

(a) 通用目標量子電路。

(b) 分解為單量子比特的等效電路和Cσz門。

(c) 電路進一步分解為一系列散射相互作用。這個序列可以在經(jīng)典計算機上組裝成一個指令集，其中包含六個與物理動作相對應(yīng)的不同原語。

(d) 量子器件的可控元件是光開關(guān)、腔激光器和原子狀態(tài)讀出。

"對于許多光子量子計算機來說，光子通過的物理結(jié)構(gòu)代表了不同的邏輯門，所以如果你想改變正在運行的程序，它通常涉及物理上重新配置硬件，"Bartlett說。"而在這種全新的設(shè)計下，你不需要改變硬件，只需要給機器一組不同的指令。”

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編譯：王珩

編輯：慕一