單光子量子處理器 | Nature 論文推薦

　原創2016-08-05科研圈科研圈

　　光量子網路中的光子分佈將允許連接任意數量的網路結點，因此使可擴展光量子計算機的搭建成為可能。在這種計算機中，光子-光子門將起到中央處理器的作用。

　　來源 Phys.org

　　翻譯 金庄維

　　審校 寒冬

　　

　　邏輯門操作過程圖示：光子（藍色）相繼自右側衝擊諧振器的部分透射鏡。諧振器中含有一個銣原子（以帶有電子（黃色）軌道的紅球表示），它作為中介傳遞兩個光子間的確定性相互作用。背景中的示意圖代表整個網關協議（gate protocol）。Credit:Stephan Welte, MPQ, Quantum Dynamics

　　「一切皆有可能！」正如這句格言所說，Gerhard Rempe 教授（馬普量子光學所主任）領導的量子動力學研究組的物理學家成功實現了量子邏輯門，主角是兩個光量子。這種嘗試的難點在於光子之間通常不發生相互作用，而是互不干擾地穿過對方。因而光子適用於傳遞量子信息，但不適合進行信息處理。科研人員通過引入第三個輔助粒子克服這一棘手難題：束縛於光學諧振器中的單個原子扮演了中介的角色。「我們的門裝置與眾不同的特點在於光子間的相互作用是確定的，」Stephan Ritter博士解釋說，「這對將來更複雜的應用至關重要，比如可擴展量子計算機和全球量子網路。」

　　在所有的現代計算機中，數據處理都基於將信息二進位編碼后採用邏輯操作進行處理。邏輯操作由所謂的邏輯門完成：根據確定的協議為每個輸入分配預設的輸出值。類似地，對於量子計算機中的信息處理，量子邏輯門是關鍵元素。為了實現通用量子計算機，每個輸入的量子比特都必須能夠引起其他量子比特的最大改變。實際困難在於量子信息的特殊性：與經典比特不同，量子比特不可複製。因此，經典的糾錯方法不再適用，量子邏輯門必須作用於每個攜帶信息的光子。

　　由於光子作為信息攜帶者具有特別的重要性——例如，在擴展量子網路中的量子信息通信——確定性光子-光子門的實現是長期以來的目標。對光量子比特編碼的幾種可能性之一是使用單光子偏振態。經典比特的「0」和「1」態這時就對應於兩個正交的偏振態。在雙光子門中，每個光子的偏振都會影響另一個光子（的偏振）。就像在經典邏輯門中那樣，預先規定哪種輸入偏振導致哪種輸出偏振。例如，如果第一個光子位於邏輯態「1」，第二個光子的線偏振就旋轉90°；而如果第一個光子位於「0」態，第二個光子的偏振保持不變。經典邏輯門由這種描述完全確定。與此不同，量子邏輯門有無數可能的輸入態，它必須對每個輸入態產生正確的輸出態組合。

　　在這個實驗中，兩個獨立的極化光子以很小的間隔相繼衝擊諧振器。諧振器由兩塊高反射率鏡子組成，其中束縛著一個銣原子，與諧振器形成強耦合系統。諧振器在原子的位置將衝擊光子的光場放大，以便原子和光子直接相互作用，這樣在被鏡子反射時光子就「操控」了原子態。第二個光子在之後不久到達鏡子時就能「感覺」到原子態的變化。（這裡是第一個光子作用於第二個光子。——譯者注）

　　反射后的兩個光子都在1.2千米長的光纖中存儲了幾微秒。與此同時測量原子態。第一個光子偏振的旋轉取決於測量結果，因此第二個光子能對第一個光子進行反向作用。「兩個光子永遠不會在同一時間出現在同一地點，因此它們不會直接相見。儘管如此，我們實現了它們之間的最大相互作用。」參與實驗的博士生 Bastian Hacker 解釋道。

　　研究人員在實驗上證明——依賴於光子偏振的選取——第一個光子會影響第二個光子，反之亦然。為此，他們對不同的輸入態測量兩個輸出光子的偏振態。通過測量結果，他們得到了對應於預期門操作的「真值表」，由此證明光子-光子門的不同操作模式。

　　使兩個光子的輸入偏振相互影響的情況尤其有趣：這時兩個輸出光子形成糾纏對。（這裡的相互影響是指選擇了另一種線偏振基底函數，輸入光子還是彼此獨立的。——譯者注）「產生糾纏的可能性從根本上將量子門區別於經典邏輯門。糾纏光子的應用之一是量子態的隱形傳態。」參與實驗的博士生 Stephan Welte 解釋道。

　　科研人員設想新的光子-光子門能為全光學量子信息處理鋪平道路。「光量子網路中的光子分佈將允許連接任意數量的網路結點，因此使可擴展光量子計算機的搭建成為可能。在這種計算機中，光子-光子門將起到中央處理器的作用。」 Gerhard Rempe 教授解釋道。