研究人员开发了一种通用量子门 2017-04-11 10:02:03

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通用量子门:Max Planck物理学家通过使用谐振器中的原子作为介体使两个光子(右)相互作用谐振器由两个镜子组成,激光捕获它们之间的原子信用:Quanthan的Stephan Welte / MPI光学科学家现在开发了一种通用量子门,它可能成为量子计算机中的关键组件光粒子完全相互忽视为了在处理量子信息时这些粒子能够相互切换,马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员Garching现在开发了一种通用量子门Quantum门是量子计算机的基本元素用光子(即光粒子)转换它们比用其他量子信息载体操作它们具有实际优势

绝地和西斯的光剑战斗在星球大战传奇中可能会提出一些不同的东西,但光束不会注意到彼此没有垫子它们的强度有多高,它们无阻碍地相互切割当单个光粒子相遇时,量子信息技术的某些应用所必需的,根本没有任何事情发生光子因此不会像那样相互切换,就像必须如果一个人想用它来操作量子门的情况,量子计算机的基本计算单元量子计算机可以掌握一些任务,比如搜索数据库,比传统计算机快得多物理学家已经为超级计算机开发了量子门 - 未来的计算机,例如将钻石中含有的氮原子作为杂质作为最小的计算单位但是“用光子进行量子计算机计算将具有实际优势,”Gerhan Rempe研究小组负责人Stephan Ritter说

马克斯普朗克量子光学研究所的分部“这是因为量子信息必须是光子的形式为了远距离传输如果我们也可以使用光子来处理它,我们不必将它转移到其他载体,如原子,以便用它计算“谐振器中的原子介于光粒子之间为了使光子首先感知彼此的存在,更不用说相互切换,他们需要调解器在Stephan Ritter的物理学家团队进行的实验中,这个中介作用由谐振器中的单个原子承担

基于Garching的研究人员使用激光束捕获谐振器中的原子

对于他们的实验,科学家现在需要两个光子,每个光子携带一个量子比特

量子比特是量子力学等效的传统比特

然而,它不仅可以编码零和一,而且还可以假设两者之间的所有可能状态

研究人员将两个量子比特的状态写入两个光的偏振中颗粒,即进入电磁波振荡的方向Max Planck物理学家将两个光子一个接一个地发送到原子和谐振器系统上

第一个光子因此通过改变其状态将信息传递给原子 - 但仅限于如果光子具有正确的偏振,那么当第二个光子在短时间内撞击原子和谐振器系统时,这种变化对第二个光子的偏振有影响

量子门以确定的方式运行“我们的系统只能成为一个通用量子因为第二个光子也可以将信息转移到第一个光子上,“巴斯蒂安黑客说,他将这些实验作为博士论文的一部分进行了实验

为此,科学家们最初将这两个光子存储在光纤超过一公里的地方

光粒子在谐振器上反射后的长度同时,它们对原子进行测量,也可以对原子进行测量由于量子力学的惊人特性,影响了两个光子的偏振态

与传统钻头的情况一样,只有两种可能的测量结果它们为研究人员提供了关于第一光子的偏振旋转的可靠信息

可以用来完成门操作“我们的量子门以确定的方式运行,”Stephan Ritter说 这意味着科学家可以可靠地预测光粒子应该在量子门中经历哪些变化,这取决于输入的光子的原始极化

此外,门对所有光子进行这些操作,这些光子与被捕获的原子一起照射到谐振器上 - 至少在原理上,实际上,不可避免的技术缺陷会降低量子门的效率以及其操作的精度

但是,研究人员已经对如何改善量子门的两个特性有一些想法:使用镜子例如,具有较低损耗的光子或光子的存储装置比光纤更有效在物理学家已经尝试过的光子之间的量子门的其他实现中,错误是固有的,因为机会总是起作用这里有两个实验证明量子门的可靠性是基于Garching的研究人员所具有的两个实验来证明他们的量子门已经可靠地运行这里量子门执行的操作仅取决于两个输入光子如何被极化在一个实验中,研究人员将第一个光子循环极化,使其振荡方向顺时针旋转或逆时针第二个光子是线性偏振的,即​​它在水平或垂直平面上振荡在具有这些输入状态的光子对上,量子门的作用类似于CNOT操作,其中第一个量子比特控制第二个光子,这是因为根据第一个光子旋转的方向,量子门会翻转第二个光子的偏振 - 例如从垂直平面到水平面 - 或者CNOT门对于量子计算机来说是必不可少的,因为它们可以被使用执行所有逻辑运算对于第二个实验,Garching的研究人员将两个光子线性地用这样的输入st极化ates,量子门缠绕两个光子纠缠光子不能再相互独立地描述,而只能用一个共同的状态 - 无论两个光粒子之间的距离有多大,就像纠缠一样,我们的想象力会受到考验,对于量子计算机而言,它是像CNOT门这样不可或缺的成分“只有量子比特的纠缠才能使量子计算机的力量得以展开,”Stephan Welte说道,他作为博士论文的一部分为实验做出了重要贡献

谐振器中的原子是量子计算机的关键元素“有了量子门,我们现在有一个光学量子计算机的关键元素,”加利福尼亚马克斯普朗克研究所所长格哈德·雷佩说道,这将是一段时间之前然而,量子计算机以超过任何传统计算机的速度完成一些计算任务;尤其是因为这需要量子门更可靠地计算然而,Gerhard Rempe已经有了关于如何使用谐振器中的原子来操作这种超级计算机的明确想法

这不需要许多这些系统,每个系统都可以相当很容易填补实验室“逻辑运算可以在一个谐振器中用一个原子一个接一个地进行,”Gerhard Rempe说

欧盟委员会显然也认为这些量子技术概念有未来它计划投资10亿欧元他们在大约十年的时间里的发展这笔资金还可以加速实现超高速量子计算机的进程 - 这也是Stephan Ritter和他在Garching的同事所希望的出版物:Bastian Hacker等,“光子光子”量子门基于光学谐振器中的单个原子,“Nature(2016)doi:101038 / nature18592研究的PDF副本:光子 - 光子量子门基d在光学谐振器中的单个原子上来源:Max Planck INstitute