用光子設計兩個量子位之間的相互作用？

在量子計算的世界裡，交互就是一切，為了讓計算機正常工作，比特（構成數字信息的一比特和零比特）必須能夠相互作用並傳遞數據進行處理。同樣的道理也適用於構成量子計算機的量子位元。但是這種相互作用產生了一個問題——在任何量子位相互作用的系統中，它們也傾向於與環境相互作用，從而導致量子位迅速失去其量子性質。為了解決這個問題，藝術與科學研究生院的博士生Ruffin Evans轉向了以缺乏相互作用而聞名的粒子——光子。

博科園-科學科普：埃文斯在米哈伊爾·盧金(Mikhail Lukin)的實驗室工作，盧金是喬治·瓦斯默·萊弗雷特(George Vasmer Leverett)物理學教授，也是量子科學與工程計劃(Quantum Science and Engineering Initiative)的聯席主管。設計一個相互作用非常強的系統並不難，但是相互作用非常強也會通過與環境的相互作用產生噪音和干擾。所以你必須使環境極其清潔，這是一個巨大的挑戰。我們在一個完全不同的規則下運作，使用光子，它與一切都有微弱的相互作用。

圖片：Denis Sukachev

Evans和他的同事們首先利用硅空位中心（鑽石中的原子尺度雜質）創造了兩個量子位，然後把它們放入一個納米尺度的光子晶體腔中，光子晶體腔的行為就像兩個面鏡子。光與原子一次相互作用的幾率可能非常非常小，但是一旦光反彈10000次左右，這種情況幾乎肯定會發生。所以其中一個原子可以發射光子，它會在這些鏡子之間來回反射，在某一點，另一個原子會吸收光子，不過，光子的傳遞不是單向的。光子實際上在兩個量子位之間交換了好幾次，這就像他們在玩燙手山芋，量子位來回傳遞雖然在量子位之間創造相互作用的概念並不新鮮，研究人員已經在許多其他系統中取得了這一成就，但有兩個因素使這項新研究與眾不同。

關鍵的進步在於使用的光子的光頻率通常相互作用非常微弱，這就是為什麼我們使用光纖傳輸數據——可以通過一根很長的光纖發送光，基本上沒有衰減。因此，平台對於長距離量子計算或量子網路尤其令人興奮。儘管該系統只能在極低溫度下運行，但與需要精密的激光冷卻系統和光阱來固定原子的方法相比，它的複雜性要小得多。由於該系統是納米級的，它開啟了許多設備可以封裝在單個晶元上的可能性。雖然這種相互作用以前已經實現，但還沒有在光學領域的固態系統中實現。設備是用半導體製造技術製造的，很容易想像使用這些工具在一個晶元上擴展到更多的設備。

拼接過程：顯微鏡物鏡(從圖像頂部下來的大金屬筒)，鑽石樣品(圖像中心看起來像玻璃的小板)，以及連接到樣品的光纖(樣品上方發光的綠色點)。圖片：Denis Sukachev

埃文斯展望了未來研究的兩個主要方向。第一種方法是開發控制量子位元的方法，並構建一整套量子門，使它們能夠作為一台可用的量子計算機發揮作用。另一個方向是說，我們已經可以製造這些設備，獲取信息，從設備中讀取信息，並將其放入光纖中。所以，讓我們考慮一下如何擴大這個規模，並在人類尺度的距離上建立一個真正的量子網路。正在構想一種方案，利用現有的材料，在實驗室或校園內的設備之間建立連接，或者利用下一代設備實現小規模量子網路。最終，這項研究可能會對計算機的未來產生廣泛的影響。從量子互聯網到量子數據中心，任何東西都需要量子系統之間的光學連接，而這正是我們的工作非常適合的部分。

博科園-科學科普｜研究/來自：哈佛大學

參考期刊文獻 :《Science》

DOI: 10.1126/science.aau4691

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