科学家最新发明通用量子门，可用作光量子电脑CPU

编者按： 量子计算机相较于传统计算机，在完成类似数据检索等任务上有着明显的速度优势。而要组建一台量子计算机，量子门*是必不可少核心元素，因此已经有不少物理学家们为此而努力，并获得了一些成果，比如说，在钻石里加入氮原子，并用这些氮原子“杂质”作为最小计算单元等。

*编者注：量子门对于量子计算机来说，类似于是我们现在普通计算机里面所用到的逻辑门，可以单独或组合使用，用以实现各种简单或复杂的逻辑运算。

相较于其他的信息载体，如果直接使用光子来直接操控这些“门”，会带来许多实际应用上面的便捷。比如，由于大距离信息传输目前通常都是通过光子完成的（比如大家都知道的光纤），因此如果可以直接用光子完成所有操作，就可以省去从其他信息载体向光子转移信息的步骤了。

然而光子是一种我行我素，完全无视同类的东西。当绝地武士和西斯在《星球大战》里用激光剑对砍时，荧幕前的科学家们其实心里是不以为然的（DT君其实一直很奇怪为什么《生活大爆炸》里现在还没有用到这个梗）。在现实世界里，无论光的强度多大，光子密度多高，光子们都是对同类不理不睬的。换句话说，用激光剑决斗的结果几乎只有两败俱伤一途——两剑相交，丝般划过，然后，也许是一个断腿，另一个断胳膊。因此，为了造出一个光子可以使用的量子门，科学家们也是绞尽脑汁，想尽办法才最终让光子们“互诉衷肠”。

但是这一难题被自德国马克思•普朗克量子光学研究所的科学家们解决了，研究组的负责人是史蒂芬•利特（Stephan Ritter），他目前是量子光学研究所杰哈德•蓝珀（Gerhard Rempe）教授下属的课题组组长。他们成功实现了两个光子之间的信息交换，并发明了一款可用于全光量子信息运算的“通用量子门”*（unviersal quantum gate）。

相关论文于今年7月6日发表在《Nature》。

史蒂芬•利特（Stephan Ritter）的团队解决了光子间的信息交换这一核心难题，他们发明的可应用于光子的量子门能够完成诸多的相关运算。

“有了这个通用量子门，我们就拥有了未来光量子计算机的基石。”加尔辛马克思•普朗克研究所所长杰哈德•蓝珀说道，“光量子网络内的光子可以将网内的任意数量的节点连在一起，最终形成一台可扩展的光量子计算机，而这个量子门可以用作这台计算机的中央处理器（CPU）。”

欧洲委员会也意识到了这项概念全新的量子技术的美好未来。委员会打算为这项预期进行10年的科研项目投入10亿欧元。这份巨额项目经费将有可能让超快速量子计算机提前来临——这当然也是史蒂芬•利特和他在加尔辛的同事们所期待的。

下面我们就来看一看这些科学家们是如何一步一步攻克难关的。

关在谐振腔里的单原子成了英雄中间人

我们还是回到整个课题的核心难题，如何让光子间进行信息交换。要完成这一步，首先是要让它们“看得见”彼此，这个时候我们就需要一个“中间人”（mediator）。在史蒂芬•利特小组的实验里，这个中间人是由一个在谐振腔中的单原子完成的。谐振腔是由两面相隔0.5毫米的镜子组成，而这颗单原子是这群加尔辛（Garching，马克思•普朗克量子光学研究所所在地）的科学家们用一束激光“关”进去的。

按照实验设计，科学家们首先需要两个光子，分别作为一个“量子比特”。量子比特与传统计算机里面的比特类似，不同之处在于它不再局限于非1即0的编码方式，而是可以包含0和1之间的所有状态。科学家们把这两个量子比特的状态用相对应两个光子的偏振进行了编辑。具体实现的方式有很多，比如，从相应偏振角度的电磁波源中选取光子。

于是实验开始了，马克思•普朗克研究所的物理学家们将两个光子一前一后送入带有单原子的谐振腔中。 首先进入的光子如果具有特定的偏振角度，就会通过改变这个单原子状态（外层电子能级等）的方式，将信息传给这它。当第二个光子进入谐振腔，与单原子发生碰撞的时候，第一个光子先前造成的单原子的状态变化将会影响第二个光子的偏振。 于是，第一个光子借由了这个单原子，与第二个光子完成了“沟通”。

以确定方式运行的光子门

“ 我们的系统之所以能成为通用量子门，是因为两个光子可以相互传递信息，从第一个到第二个可以，反之亦然 。”巴斯蒂安·哈克（Bastian Hacker）说道，本次实验是他博士论文的一部分。

他所说的从第二个光子向第一个光子传递信息是这么实现的——两个光子在谐振腔中完成反射后，将它们储藏在长约1.2公里的光纤内（时间为几毫秒）。与此同时，他们对单原子状态进行测量，基于量子力学的神奇特性，这个测量将会反馈到第一个光子的偏振角度。在测量完成后，两个光子的偏振角度都变为了确定值。按照这样的流程，可以进行一系列的实验，帮助科学家们以决定第一个光子需要什么样的偏振角度才能完成量子门的操作。

“我们的量子门是确定的方式工作的。”史蒂芬·利特说。这句话的意思是， 科学家们将能通过入射光子的偏振角度，来准确预测量光子会在量子门中发生什么样的变化。

此外，理论上来说，量子门对所有撞击了谐振腔中的单元原子会产生同样的影响。但受限于目前的技术能力，量子门的效率和精确度离开理想状态还有差距，但是科学家们已经想到了一些应对措施：比如使用反射率更高的反射镜，或者使用比光纤更高效的光子储存装置。但在已经完成的量子门实验中，误差还是时有发生，毕竟量子力学很难不涉及到概率问题。

量子门的可靠性证明

最后来说一下关于这个量子门的可靠性证明实验。实验一共有两个，而“门”内会进行何种运算则是完全取决于入射光子的偏振角度。

实验一： 研究者们让第一个光子做圆形偏振，因此振动方向只有顺时针或时针（可以表示0和1）。第二个光子则是做线性偏振，因此振动方向是水平或垂直（也可以表示0和1）。两个光子以这种状态进入量子门，会使量子门像可控非门（Controlled NOT，简称CNOT）**一样工作：第一个量子比特控制第二个量子比特。这是因为，基于第一个光子的顺/逆时针旋转，量子门会使第二个做水平或垂直偏振的光子产生翻转。CNOT门是量子计算机重要的元件之一，被用来执行所有的逻辑操作。

**可控非门是量子版本逻辑门的一种，所涉及的两个量子位元间，一是控制量子位元(control qubit)是|0>，另一是受控的目标位元（target qubit）。保持原状态。当控制位元是|1>，则目标位元的|0>成分变为|1>，而|1>成分变为|0>。简单说，就是如果控位元是|1>，则目标位元发生改变。

实验二： 研究者们让两个光子都做线性偏振。在这种状态下，量子门会使两个光子发生纠缠。在光子纠缠态中，是无法描述单个光子状态的，只能描述整个体系的共有态，不论两个光子的距离有多远。量子纠缠态考验着人类的想象力，对量子计算机来说，纠缠态犹如CNOT门，是一个不可或缺的组成部分。

“量子比特纠缠释放了量子计算机的潜力，”史蒂芬·维尔特说道，他在实验中也发挥了重要作用。

关于光子量子门，利特团队的成果只是第一步，但确实非常扎实的第一步，一个光量子计算机的时代说不定就始于这第一步。

参考文献：B.Hacker, S. Welte, G. Rempe and S. Ritter, A photon–photon quantum gate based ona single atom in an optical resonator, Nature 2016, DOI: 10.1038/nature18592.