前沿科技之光子芯片開辟量子計算新道路

掃街

由英國布里斯托爾大學(University of Bristol)領導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經典計算機無法完成的復雜運算。該校量子光學中心的科學家們成功地制備出一種可用于量子計算的光子（硅）芯片，從而為實現量子計算機和量子模擬打下了堅實的基礎。
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中某一狀態的經典比特，量子比特可以同時處在多個狀態上，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開辟了一條全新的道路。
7 m  I$ Z; \8 |0 k+ n/ L“過去科學界普遍認為，25 年內量子計算都無法實用化”，量子光學中心主任Jeremy O'Brien
教授說到，“然而我們相信，利用這項新技術，超越經典計算機的量子計算機10 年之內就可能出現。”
利用這項在布里斯托爾發展出來的技術，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網絡，從而實現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，計算能力將得到指數性的提高”，O'Brien
教授說到，“這項技術開辟了量子信息科學的一個新領域，為實現量子計算鋪平了道路，而量子計算的實現將幫助我們理解最為復雜的科學問題。”
該研究組計劃近期內即將此技術應用于開發新的模擬工具。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、光合作用等由量子力學規律主導的復雜現象。“我們的技術不僅能幫助人們更好地理解這些重要的物理現象，還有助于高效太陽能電池的制備等實際的應用。”可能的應用還包括超高速搜索引擎的實現，高端材料的研制以及新藥的研發等。
0 i: O3 O- l* |) q" s, X5 \從單光子到雙光子并不是簡單的跨越，要實現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典波動理論解釋，雙光子量子游走無法用任何經典的理論來解釋，完全是一種量子現象。
5 o- x' N5 L. @& Y4 P“目前我們實現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，可解決的問題的復雜度是成指數增加的。比方說，單光子的量子游有10 種可能的結果，那么兩光子的量子游走將會有100 種結果，三光子量子游走的結果將有1000 種！”
1 M) p, S% y* X6 R' b6 \& E: a接下來，這個由英國布里斯托爾大學領導，包括日本東北大學、以色列魏茨曼科學研究所、荷蘭屯特大學在內的國際研究小組將利用光子芯片來進行量子力學模擬，并準備通過增加光子數和增大芯片尺寸等手段來完成更復雜的實驗。
0 b7 ~, A  ^( H, _% e$ z: K