利用现成的组件制造简化的量子计算机

一种新的“简化”量子计算机电路将单个原子与多个光子纠缠在一起 ezumeimages/Depositphotos

量子计算机有朝一日可以将无聊的老式经典计算机吹出水面，但到目前为止，它们的复杂性限制了它们的实用性。斯坦福大学的工程师现在展示了一种新的相对简单的量子计算机设计，其中单个原子与一系列光子纠缠在一起以处理和存储信息。

量子计算机利用量子物理学的奇怪世界来执行比传统计算机处理速度快得多的计算。在现有机器以比特形式存储和处理信息的情况下，无论是 1 还是 0，量子计算机都使用量子比特，它可以作为 1、0 或 1 和 0 同时存在。这意味着它们的能力随着每增加一个量子比特而呈指数级增长，从而使它们能够解决经典计算机无法解决的问题。

当然，量子计算机也带来了自己的挑战。一方面，它们运行的量子效应对振动或热量等干扰很敏感，因此量子计算机需要保持在接近绝对零的温度。因此，它们的复杂性随着机器的计算能力而扩展，因此随着处理能力的增加，它们在物理上变得更大和更笨重。

但斯坦福团队表示，他们的新设计看似简单。这是一个光子电路，使用一些现有的组件——一根光缆、一个分束器、两个光开关和一个光腔——它可以减少所需的物理逻辑门的数量。

“通常情况下，如果你想建造这种类型的量子计算机，你必须使用潜在的数千个量子发射器，让它们完全无法区分，然后将它们集成到一个巨大的光子电路中，”该论文的第一作者 Ben Bartlett 说。研究。“而采用这种设计，我们只需要一些相对简单的组件，并且机器的大小不会随着您要运行的量子程序的大小而增加。”

新设计由两个主要部分组成：存储光子的环和散射单元。光子代表量子比特，它们绕环行进的方向决定了它们的值是 1 还是 0——或者如果它同时向两个方向行进，这要归功于量子叠加的怪癖。

为了对光子的信息进行编码，系统可以将它们引导出环进入散射单元，在那里它们进入包含单个原子的腔。当光子与原子相互作用时，它们会发生纠缠，在这种量子状态下，两个粒子不再能分开描述，对一个粒子所做的改变会影响它的伙伴，无论它们之间的距离有多大。

实际上，在光子返回存储环后，可以通过用激光操纵原子来“写入”。该团队表示，一个原子可以重置和重复使用，在一个环中操纵许多不同的光子。这意味着量子计算机的能力可以通过向环添加更多光子来放大，而不是需要添加更多环和散射单元。

“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上，”巴特利特说。“所以我们只需要一个可控的原子量子位，我们可以用它作为代理来间接操纵所有其他光子量子位。”

重要的是，这个系统应该能够运行各种量子操作。该团队表示，通过编写新代码来改变原子和光子相互作用的方式和时间，可以在同一电路上运行不同的程序。

“对于许多光子量子计算机来说，门是光子穿过的物理结构，所以如果你想改变正在运行的程序，通常需要重新配置硬件，”巴特利特说。“而在这种情况下，你不需要改变硬件——你只需要给机器一组不同的指令。”

更好的是，光子量子计算机系统可以在室温下运行，消除极端冷却系统增加的体积。