前沿科技之光子芯片開辟量子計算新道路

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由英國布里斯托爾大學(xué)(University of Bristol)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組開辟了一條量子計算的新道路，有望在不久的將來實現(xiàn)經(jīng)典計算機無法完成的復(fù)雜運算。該校量子光學(xué)中心的科學(xué)家們成功地制備出一種可用于量子計算的光子（硅）芯片，從而為實現(xiàn)量子計算機和量子模擬打下了堅實的基礎(chǔ)。
3 \6 R) V) R! I$ A  y9 i! M6 [" p+ _, q量子計算機是一種全新的基于量子理論的計算機。不同于處理比特的經(jīng)典計算機，量子計算機處理的是量子比特。相比于只能處在0 或1中某一狀態(tài)的經(jīng)典比特，量子比特可以同時處在多個狀態(tài)上，從而可以存儲和處理更多的信息。而這種光子芯片的制備為量子計算機的實現(xiàn)開辟了一條全新的道路。
“過去科學(xué)界普遍認為，25 年內(nèi)量子計算都無法實用化”，量子光學(xué)中心主任Jeremy O'Brien
, r0 F2 Z$ a( O* ^2 A5 L教授說到，“然而我們相信，利用這項新技術(shù)，超越經(jīng)典計算機的量子計算機10 年之內(nèi)就可能出現(xiàn)。”
利用這項在布里斯托爾發(fā)展出來的技術(shù)，研究者們讓兩個完全相同的光粒子(光子)通過一個光子芯片——刻錄在硅片上的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了一個被稱為量子游走（Quantum Walk）的物理過程。此前，已有研究組實現(xiàn)了單粒子的量子游走，而兩粒子的量子游走則是首次被觀測到。“通過操縱兩光子系統(tǒng)，計算能力將得到指數(shù)性的提高”，O'Brien
教授說到，“這項技術(shù)開辟了量子信息科學(xué)的一個新領(lǐng)域，為實現(xiàn)量子計算鋪平了道路，而量子計算的實現(xiàn)將幫助我們理解最為復(fù)雜的科學(xué)問題。”
該研究組計劃近期內(nèi)即將此技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)新的模擬工具。長期來看，這種基于多光子量子游走的量子計算機可用來模擬諸如超導(dǎo)、光合作用等由量子力學(xué)規(guī)律主導(dǎo)的復(fù)雜現(xiàn)象。“我們的技術(shù)不僅能幫助人們更好地理解這些重要的物理現(xiàn)象，還有助于高效太陽能電池的制備等實際的應(yīng)用。”可能的應(yīng)用還包括超高速搜索引擎的實現(xiàn)，高端材料的研制以及新藥的研發(fā)等。
從單光子到雙光子并不是簡單的跨越，要實現(xiàn)光子間的這種相互作用，必須保證這兩個光子在所有方面完全相同。不同于單光子量子游走可以用經(jīng)典波動理論解釋，雙光子量子游走無法用任何經(jīng)典的理論來解釋，完全是一種量子現(xiàn)象。
“目前我們實現(xiàn)和觀測到了兩光子的量子游走。接下來，我們可以在這種光子芯片上實現(xiàn)三光子甚至多光子的量子游走。需要指出的是，這種推廣不是簡單的光子數(shù)目的增長”，O'Brien 教授說到，“每添加一個光子，可解決的問題的復(fù)雜度是成指數(shù)增加的。比方說，單光子的量子游有10 種可能的結(jié)果，那么兩光子的量子游走將會有100 種結(jié)果，三光子量子游走的結(jié)果將有1000 種！”
6 B3 ^3 `  r/ D1 Z7 V接下來，這個由英國布里斯托爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，包括日本東北大學(xué)、以色列魏茨曼科學(xué)研究所、荷蘭屯特大學(xué)在內(nèi)的國際研究小組將利用光子芯片來進行量子力學(xué)模擬，并準(zhǔn)備通過增加光子數(shù)和增大芯片尺寸等手段來完成更復(fù)雜的實驗。