“信號”光子和“閑散”光子的相互作用（圖片來源：網(wǎng)絡）

最近，德國漢諾威萊布尼茨大學的研究人員進行了一項研究，探討了量子計算機實現(xiàn)飛行量子比特門的可能性，這種門對光子的波形不敏感，并且在處理過程中完全保留光子形狀。該研究論文已發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

該研究團隊成員Ihar Babushkin說：“量子技術(shù)的發(fā)展有幾種候選架構(gòu)，包括超導體、離子阱、固態(tài)、光量子等。但無論采用哪種架構(gòu)，光量子都將發(fā)揮重要作用。因為幾乎在所有架構(gòu)中，光子無疑是量子信息比特（量子比特）間的媒介?！?/p>

而光量子計算機的獨特之處在于：光子不僅能夠調(diào)解量子比特之間的相互作用，其本身也是量子比特。由于光子不受退相干的影響（即環(huán)境與量子比特相互作用并改變其量子態(tài)的過程，導致量子比特存儲的信息丟失），因此它們是能安全攜帶量子信息的理想選擇。

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Babushkin解釋說：“光子不受退相干影響，因為光子間不會發(fā)生相互作用，同時光子也幾乎不與其他物質(zhì)相互作用。但想要操縱光子，就成了問題：光子間缺乏相互作用使得操縱光子變得困難，由此很難執(zhí)行量子計算。盡管如此，光子在信息處理方面的優(yōu)越性以及可在室溫下運行的優(yōu)勢，仍促使世界各地的團隊將該方向作為主要研究路線之一?！?/p>

現(xiàn)在，受關(guān)注最高的光子信息處理方法有兩種：“基于測量的計算”，只需要線性光學元件，例如光子分束器和輔助光子的測量；相干光子轉(zhuǎn)換（CPC），采用放大非線性光學相互作用的技術(shù)，促使光子間發(fā)生作用。

這兩種方法有個同樣的局限條件：即都需要“全同”的輸入光子（在時間和空間上無法區(qū)分且彼此不相關(guān)）。

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Babushkin說：“這是必需條件，因為如果光子變得可區(qū)分，則會打破它們的量子干涉。這是一個嚴重的限制條件，它要求同一光子源產(chǎn)生的所有光子都完全獨立，然而由同一光子源產(chǎn)生大量全同的光子并非易事?！?/p>

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該研究團隊提出：可以使用CPC方法的變體來突破局限性。他們在理論上證明了CPC可用于實現(xiàn)量子比特門，在操控相互作用的、非全同的、可區(qū)分的光子時保留了其時空光子特性。

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Babushkin說：“在這種方法中，相互作用的光子和強激光泵都以不同的速度傳播，并在某個時候相遇，此時，光子之間的相互作用以‘尖銳’的互動形式出現(xiàn)，作用時間可以小到數(shù)百阿托秒（1阿托秒是10-18 秒），在空間尺度上只有幾納米。這個鋒面的大小取決于原子可以對光學激發(fā)做出反應的最大速度。”

該研究團隊表明：一旦相互作用光子的波形（即脈沖形狀）遠大于阿托秒尺度，光子波形的分離部分就會被獨立處理，從而使系統(tǒng)中光子的波形保持不變。

未來，該小組將通過實驗來驗證他們的理論預測的正確性。一旦被驗證，他們的工作可以為開發(fā)性能更好的光子信息處理系統(tǒng)鋪平道路。他們將把單量子比特門的成果擴展到整個框架，以波形容錯光量子門執(zhí)行計算，加速全光量子計算機的實現(xiàn)。

原文鏈接：

https://phys.org/news/2022-04-highlights-possibility-wave-shape-tolerant-qubit-gates.html

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.090502#fulltext

文：Ingrid Fadelli
編譯：卉可編輯：慕一
注：本文編譯自“?phys”，不代表量子前哨觀點。