在量子計算的世界里，交互就是一切，為了讓計算機正常工作，比特（構成數(shù)字信息的一比特和零比特）必須能夠相互作用并傳遞數(shù)據(jù)進行處理。

同樣的道理也適用于構成量子計算機的量子位元。但是這種相互作用產生了一個問題——在任何量子位相互作用的系統(tǒng)中，它們也傾向于與環(huán)境相互作用，從而導致量子位迅速失去其量子性質。為了解決這個問題，藝術與科學研究生院的博士生Ruffin Evans轉向了以缺乏相互作用而聞名的粒子——光子。

博科園-科學科普：埃文斯在米哈伊爾·盧金(Mikhail Lukin)的實驗室工作，盧金是喬治·瓦斯默·萊弗雷特(George Vasmer Leverett)物理學教授，也是量子科學與工程計劃(Quantum Science and Engineering Initiative)的聯(lián)席主管。設計一個相互作用非常強的系統(tǒng)并不難，但是相互作用非常強也會通過與環(huán)境的相互作用產生噪音和干擾。所以你必須使環(huán)境極其清潔，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。我們在一個完全不同的規(guī)則下運作，使用光子，它與一切都有微弱的相互作用。

Evans和他的同事們首先利用硅空位中心（鉆石中的原子尺度雜質）創(chuàng)造了兩個量子位，然后把它們放入一個納米尺度的光子晶體腔中，光子晶體腔的行為就像兩個面鏡子。光與原子一次相互作用的幾率可能非常非常小，但是一旦光反彈10000次左右，這種情況幾乎肯定會發(fā)生。所以其中一個原子可以發(fā)射光子，它會在這些鏡子之間來回反射，在某一點，另一個原子會吸收光子，不過，光子的傳遞不是單向的。光子實際上在兩個量子位之間交換了好幾次，這就像他們在玩燙手山芋，量子位來回傳遞雖然在量子位之間創(chuàng)造相互作用的概念并不新鮮，研究人員已經在許多其他系統(tǒng)中取得了這一成就，但有兩個因素使這項新研究與眾不同。

關鍵的進步在于使用的光子的光頻率通常相互作用非常微弱，這就是為什么我們使用光纖傳輸數(shù)據(jù)——可以通過一根很長的光纖發(fā)送光，基本上沒有衰減。因此，平臺對于長距離量子計算或量子網絡尤其令人興奮。盡管該系統(tǒng)只能在極低溫度下運行，但與需要精密的激光冷卻系統(tǒng)和光阱來固定原子的方法相比，它的復雜性要小得多。由于該系統(tǒng)是納米級的，它開啟了許多設備可以封裝在單個芯片上的可能性。雖然這種相互作用以前已經實現(xiàn)，但還沒有在光學領域的固態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)。設備是用半導體制造技術制造的，很容易想象使用這些工具在一個芯片上擴展到更多的設備。

埃文斯展望了未來研究的兩個主要方向。第一種方法是開發(fā)控制量子位元的方法，并構建一整套量子門，使它們能夠作為一臺可用的量子計算機發(fā)揮作用。另一個方向是說，我們已經可以制造這些設備，獲取信息，從設備中讀取信息，并將其放入光纖中。所以，讓我們考慮一下如何擴大這個規(guī)模，并在人類尺度的距離上建立一個真正的量子網絡。正在構想一種方案，利用現(xiàn)有的材料，在實驗室或校園內的設備之間建立連接，或者利用下一代設備實現(xiàn)小規(guī)模量子網絡。最終，這項研究可能會對計算機的未來產生廣泛的影響。從量子互聯(lián)網到量子數(shù)據(jù)中心，任何東西都需要量子系統(tǒng)之間的光學連接，而這正是我們的工作非常適合的部分。

博科園-科學科普｜研究/來自：哈佛大學

參考期刊文獻 :《Science》

DOI: 10.1126/science.aau4691

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