更高效的光学量子门

　　真空室的照片。通过窗口进入图片中心的真空室，人们可以看到谐振器镜子的支架。在镜子之间，超冷原子产生光子之间的相互作用。图片来源：马克斯·普朗克学会
　　未来的量子计算机不仅有望解决特别棘手的计算任务，而且还将连接到网络以进行数据的安全交换。原则上，量子门可用于这些目的。但直到现在，还不可能以足够的效率实现它们。通过几种技术的复杂组合，马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究人员现在已经朝着克服这一障碍迈出了重要的一步。
　　几十年来，随着每一代新一代计算机的发展，计算机变得越来越快，越来越强大。这种发展使得不断开辟新的应用程序成为可能，例如在具有人工智能的系统中。但是，通过成熟的计算机技术，进一步的进步变得越来越困难。出于这个原因，研究人员现在正将目光投向替代的，全新的概念，这些概念将来可能会用于一些特别困难的计算任务。这些概念包括量子计算机。
　　它们的功能不是像传统的微电子计算机那样基于数字零和一的组合（经典位）。相反，量子计算机使用量子比特（简称量子比特）作为编码和处理信息的基本单位。它们是量子世界中比特的对应物，但在一个关键特征上与它们不同：量子比特不仅可以假设两个固定值或状态，例如零或一，还可以假设介于两者之间的任何值。原则上，这提供了同时执行许多计算过程的可能性，而不是处理一个接一个的逻辑操作。
　　与光学量子比特的防抽头通信
　　＂有多种方法可以物理地实现量子比特的概念，＂托马斯·斯托尔茨说，他一直在加兴的马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）进行量子计算机基础知识的研究。＂其中之一是光学光子。在他们的研究中，Stolz和他在Stephan Dürr博士和MPQ主任Gerhard Rempe教授领导的团队中的同事也依赖于可见光谱范围内的这种光粒子。＂光子作为量子计算机中信息载体的一个优点是它们彼此之间以及与环境之间的相互作用很低，＂Stolz解释说。＂这可以防止量子比特存在所必需的相干性被外部干扰迅速破坏。此外，光子可以长距离传输，例如在光纤中。＂这使它们成为构建量子网络的特别有前途的候选者，＂Stolz说：连接几台量子计算机，通过这些计算机可以无条件安全地传输加密数据，并可靠地防止窃听企图。
　　量子计算机的基本组成部分——因此也是量子网络的基本组成部分——是量子门。它们在工作模式下对应于传统计算机中使用的逻辑门，但根据量子比特的特殊属性进行定制。＂在捕获离子或超导材料中实现的量子比特的量子门是目前技术最先进的，＂Stephan Dürr解释说。＂然而，用光子实现这样的元素更具挑战性。因为在这种情况下，弱相互作用的优势变成了一个有形的劣势。因为，为了能够处理信息，光粒子必须能够相互影响。MPQ的研究人员已经在一篇论文中展示了如何有效地实现这一目标，该论文现已发表在开放获取期刊《 物理评论X》 上。
　　以前试图实现将两个光子相互连接的量子门的尝试只取得了部分成功。他们主要遭受效率低下的影响，充其量是11%。这意味着在量子系统中处理时，很大一部分光粒子以及数据都会丢失 - 这是一个缺点，特别是当许多量子门在量子网络中连续连接并且损耗加起来时。＂相比之下，我们首次成功地实现了平均效率超过40%的光学双量子位门，＂Stephan Dürr说-几乎是之前记录的四倍。
　　实验设置。根据量子比特的初始状态，光子沿着不同的路径行进，其中一些路径被谐振器反射。在这条路径中，光子经历相互作用，这是由Rydberg状态介导的。图片来源：马克斯·普朗克学会
　　谐振器中的超冷原子
　　＂这一成功的基础是使用非线性组件，＂Stolz解释道。它们包含在MPQ团队专门为实验开发的新型实验平台中，并安装在实验室中。通过这样做，研究人员能够从他们在2016年和2019年发表的先前工作中积累经验。从中得出的一个发现是，使用光子进行信息处理时，使用冷的原子气体是有用的，其中有几个原子被高能激发。＂原子介导光子之间必要的相互作用，＂Stolz解释说。＂然而，之前的工作也表明，原子的密度不能太高，否则编码信息很快就会被原子之间的碰撞所抹去。因此，研究人员现在使用一种低密度的原子气体，他们将其冷却到0.5微开尔文的温度 - 在零下零下比绝对零度高五十万分之五十度。＂作为光子之间相互作用的附加放大器，我们将超冷原子放置在光学谐振器的镜子之间，＂Stolz报道。
　　这导致了实验的成功，其中量子门通过两个步骤处理光学量子位：第一个光子，称为控制光子，被引入谐振器并存储在那里。然后，第二个光子，称为目标光子，进入设置并从谐振镜反射 - ＂相互作用发生的那一刻，＂Stolz强调说。最后，两个光子都离开了量子门，以及印在它们身上的信息。为了使它起作用，物理学家使用了另一个技巧。这是基于气体原子的电子激发到非常高的能级，称为里德伯态。＂这导致激发的原子 - 在经典图片中 - 极大地膨胀，＂Stolz解释说。它的半径可达一微米，是原子正常大小的几千倍。以这种方式膨胀的谐振器中的原子使光子有可能相互产生足够强的影响。然而，这最初只会导致相移。此外，光线被分成不同的路径，这些路径后来被叠加。只有这种叠加期间的量子力学干涉才会将相移变成量子门。
　　目标：可扩展的量子系统
　　在实验之前，进行了详细的理论分析。MPQ团队专门开发了一个全面的理论模型，以优化新研究平台的设计过程。进一步的理论研究显示了研究人员希望在未来提高光学量子门效率的方法。他们还想了解如何通过同时处理大量量子位来将量子门扩展到更大的系统。＂到目前为止，我们的实验已经表明，这在原则上是可能的，＂该小组主任Gerhard Rempe说。他相信：＂我们的新发现将在基于光的量子计算机和量子网络的发展中发挥重要作用。