研究人员利用光子来设计量子位元间的相互作用。
在量子计算的世界里，交互作用是一切活动的根基。普通计算机运作时需要让比特——构成数字信息的1和0——发生相互作用并为数据处理提供信息，量子计算机的工作原理也如此，只是量子信息的基本单位是量子位元。然而，量子位元的交互存在一个难以克服的技术难题，即在量子位发生相互作用的任何系统中，量子位元也有与环境互动的倾向，从而导致让其迅速丧失其量子特性。据《科学》杂志近日刊发的一篇研究论文称，为了解决这个问题，美国哈佛大学（Harvard）艺术与科学研究生院的博士生鲁芬·埃文斯（Ruffin Evans）将目光投向了以缺乏相互作用而闻名的粒子——光子。
作为这篇论文的第一作者，埃文斯是哈佛杰出物理学教授、哈佛量子科学与工程计划（Quantum Science and Engineering Initiative）的联席主任米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）旗下实验室的一员。埃文斯介绍道：“设计一个相互作用非常强的系统并不难，但是其中随之产生的、与环境强烈的相互作用也会导致噪音和干扰。因此，你必须让系统环境极其纯净，但这是一个巨大的挑战，因为我们选择在一个完全不同的运作机制下进行实验。我们选用光子的原因，是因为它与一切物质的相互作用都很微弱。”
埃文斯的团队首先利用硅空位中心——钻石中原子层面的杂质——制造了两个量子位，然后把它们植入一个纳米级的光子晶体腔中。光子晶体腔的功能就像两面镜子，他解释道：“在一次通过中，光子与原子发生相互作用的几率也许非常非常小，但是一旦这些光子被反弹至10000次左右，这种（光子与原子发生作用的）情况几乎肯定会发生。这样，其中一个原子发射出的光子会在这些镜子之间来回反射，在某一时刻，另一个原子就会将该光子吸收。”
埃文斯展望了未来研究的两个主要方向：第一个方向是研发控制量子位元并构建一整套量子门的各种方法，从而让它们能够组合成一台实用的量子计算机而发挥功能。他进一步介绍道：“另一个方向是，假设我们已经可以制造这些设备并获取信息——从设备中读取信息后再将其输入光纤——现在我们要考虑的是，如何扩大升级它的规模，并在现实生活尺度的距离之间打造一个真正的量子通信网络。我们正在构想的一种方案是，利用我们已有的材料，在实验室或校园内的设备之间建立网络连接，或者利用下一代设备先实现小规模的量子网络。”
埃文斯最后指出，这项工作可能会对计算机的未来产生广泛的影响。他解释道：“从量子互联网到量子数据中心之间，传递的任何信息都需要量子系统之间的光学连接才能实现，而这一领域正是我们的研究非常适合解决的部分。卢金教授展望道：“我们认为，这类合作将为哈佛大学新发起的‘科学与工程量子计划’奠定基础。”
编译：朱明逸
审稿：西莫
责编：南熙
