市面就能買到的幾款零件,更簡單打造光子量子電腦

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 01 日 17:23 | 分類 尖端科技 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


儘管大家都知道量子電腦在運算方面擁有不容忽視的優勢,但開發複雜性仍限制了實用性。最近,史丹佛大學工程師示範相對簡單的新穎量子電腦設計,只需幾個市面就能買到的零件,就能用比更簡單的方法打造量子電腦。

量子電腦儲存數據的量子位元並不像傳統半導體只能記錄 0 與 1,而是可為 0、1 或同時表示 0 與 1,如果把半導體比喻成單一樂器,量子電腦就像交響樂團,一次運算可處理多種不同狀況,也就是說,量子電腦的運算能力每增加一個量子位元就呈指數級增長,使它們可解決傳統電腦無法解決的問題。

只不過尚處於早期研發階段的量子電腦構建相當複雜,需在比星際空間更冷的溫度下才能運行(量子效應對振動或熱能很敏感),且隨著處理能力增加,量子電腦設備也越加笨重,種種不可企及的挑戰促使研究人員退一步,先行探索以光子(光粒子)取代電子的量子電腦。由於光子可輕鬆將訊息從 A 處傳到 B 處,還能在室溫下運行,因此這種方法頗有前景。

然而,儘管科學家已成功為光子創建專屬量子邏輯閘(quantum logic gate),但構建大量邏輯閘並以合適方式連接它們以執行複雜計算,仍是一項具挑戰的大工程。

現在,史丹佛大學團隊設計了一種相對簡單的光子電路,只需要市面上能買到的 1 條光纖電纜、1 個分光鏡(beam splitter)、2 個光電開關(optical switch,也稱光閥門或光學電晶體)與光學諧振腔(optical cavity),就可減少原本需數千個量子邏輯閘才能製造的量子電腦,且新設計能讓量子電腦維持苗條體型,不會隨著運算能力上漲而跟著擴大設備。

新的光子電路設計主要包含儲存環與散射單元,前者功能類似一般電腦儲存訊息的記憶體(RAM),可容納多個圍繞該環行進的光子,每個光子代表一個量子位元,行進方向則決定了量子位元的值是 0、1,還是同時以兩種狀態存在表現為 0 與 1 組合的值。

接著操縱光子從儲存環到包含單原子的散射單元,光子與原子相互作用引發量子糾纏,之後光子回到儲存環、然後以雷射改變原子狀態,由於原子和光子經歷量子糾纏,因此改變原子也會影響配對光子的狀態,我們只需要一個可控原子量子位,就可間接操縱其他光子量子位。

由於所有量子邏輯門都可編譯成針對原子的操作,所以原則上,可以透過控制原子和光子相互作用的方式在同一設備運行許多量子程式,研究人員指出,原本光子量子電腦中的邏輯閘是光子穿過的物理結構,若想改變正在運行的程式,通常需要重新調配硬體,但新的設計思路不需耀改變硬體,只需要給機器下一組不同指令即可。

也許最好的是,光子量子電腦於室溫下便能運行。新論文發表在《Optica》期刊。

(首圖來源:pixabay

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