光線控制兩個原子實現量子計算
背景
時下，量子技術正蓬勃發展，也日益受到更多關注。全世界的物理學家都致力於實現大規模量子網路。在這種網路中，單個光量子將量子信息傳輸（加密）到遠距離的固定節點上。例如，這種量子網路的基本構建模塊是量子中繼器，能夠抵消長距離的量子信息損耗；或者是量子邏輯門，它對於量子信息處理來說是不可或缺的環節。
筆者也曾介紹過這方面的創新案例。例如，西班牙光子科學研究所（ICFO ）的研究人員首次展示了使用單個光子作為信息載體，在位於不同實驗室的兩個不同的量子節點之間進行光量子通信。
（圖片來源： ICFO）
美國普林斯頓大學科研團隊採用日常材料硅製成量子可控非門，以極高的精準度控制兩個電子之間的量子行為。
（圖片來源：Science/AAAS）
創新
近日，德國馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ）的科學家們通過由光子介導的兩個囚禁原子之間的量子門實現了數學操作。馬克斯普朗克量子光學研究所主任和量子動力學部領頭人 Gerhard Rempe 教授領導的科學家團隊演示了有關這種量子門的新概念的可行性。
（圖片來源：MPQ，量子動力學部）
技術
在這裡，光學腔中的光學成像介導了囚禁於其中的兩個原子之間的交互。這種交互是原子之間進行特殊門運算的基礎，例如作為可控非門（CNOT）運算或者產生糾纏。這種新方法具有一系列優勢：例如，在毫秒時間內的門運算對於量子信息處理的很有價值；此外，門機制也可以應用於其他實驗平台，兩個原子門可以作為量子中繼器的構建模塊。
實驗的核心組件是非對稱的高精度光學共振腔，它由高反射鏡子（左）和一面具有有限傳輸（右）的鏡子組成。兩個電中性的銣原子被囚禁於腔體中間。每個原子攜帶一個量子位，例如編碼於兩個穩定的基礎狀態疊加中的量子信息，分別代表經典比特 "0" 和 "1"。Stephan Welte 的博士論文就是關於這個實驗，他解釋道：「其中的一個基礎狀態是與腔光場產生共振。因此原子和腔體形成一個強烈耦合的系統，這就是為什麼原子之間相可以互交談。而這種處理無法在自由空間中發生。」
為了執行門計算，單個光子被發送到半透明鏡子上。然後，根據原子初始狀態，不同的方案都有可能發生。該實驗的另外一位博士研究生 Bastian Hacker 表示：「當兩個原子都處於非耦合狀態時，光子可以進入腔中，在兩面鏡子之間構建起一束持續光線。原子可以通過光場進行通信：如果光場出現了，存儲的量子位相位可以旋轉180度。」在其他案例中，如果一個或者兩個光子都處於與空腔諧振模共振狀態時，光子會受到腔體阻礙，原子狀態也不會獲得相移。
這些效應可用於執行兩個原子之間基礎的數學操作（量子門），正如德國加興團隊通過兩個特殊的門運算所演示的一樣。從一方面說，科學家們展示了他們的實驗裝置可以像典型的可控非門（CNOT）一樣工作：這裡可控的量子位的輸入狀態決定了另外一個（目標的）門改變與否。為了演示這個功能性，門操作可以執行四個正交輸入狀態的集合，在每個案例中，結果的輸出狀態都是確定的。通過這些測量產生出一個表，類似於經典的XOR門。
從另外一方面說，在另外的一系列測量中，科學家們證明了從兩個最初獨立的原子可以產生出量子糾纏的輸出狀態。 Stephan Welte 表示：「為此，原子變成了兩個基礎狀態的相干疊加。因此，兩種情況：光子進入腔中或者無法進入腔中，都是量子機械疊加，門運算導致了原子糾纏。」
價值
Bastian Hacker 強調：「門運算的潛在機制非常簡單明了，因為它只能構成一個物理步驟。相比於其他門機制，在這個機制中，量子位之間的距離（在我們的案例中是2到12微米）一點都不重要。同樣，我們的門不依賴於特殊的銣原子平台。它可以同等地應用於許多其他的原子、離子或者固攜帶量子信息的固態量子點。」
Gerhard Rempe 教授甚至憧憬更進一步地延伸系統。他表示：「我們考慮安置幾個原子，而不是兩個，進入腔中。我們的門機制可以同時操作在這些原子上。」在大規模量子網路中，多量子結點可以作為小型量子計算機，執行基本的計算，並將結果發送到其他結點。
關鍵字
量子、原子、光學
參考資料
【1】http://www.mpq.mpg.de/5607956/18_02_07
【2】Stephan Welte, Bastian Hacker, Severin Daiss, Stephan Ritter, Gerhard Rempe.Photon-Mediated Quantum Gate between Two Neutral Atoms in an Optical Cavity. Physical Review X, 2018; 8 (1) DOI: 10.1103/PhysRevX.8.011018
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