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半导体和电子

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单原子门打开了量子计算的大门

11 Apr 2014
原子和光子量子位相互作用

该晶体管的量子信息类似物已由德国和美国的两个独立组织公开。这两个设备都包含一个可以切换单个光子量子态的原子。结果是迈向实用量子计算机发展的重要一步。

与传统计算机不同,量子计算机将信息的位以0或1的确定值存储,量子计算机将信息以qubit的形式存储,这是两个值的叠加。当量子位纠缠在一起时,一个位的任何变化都会立即影响其他位。因此,量子位可以比经典位更快地解决某些复杂的问题。

可以从光或物质中创建量子位,但是许多研究人员认为,未来的实用量子计算机将不得不依赖两者之间的相互作用。不幸的是,只有当光线非常强烈且物质非常稠密时,光线才倾向于与物质发生相互作用。使单个光子和单个原子相互作用是一个挑战,因为两者更可能直接穿过彼此。

商会

2004年,加州理工学院的物理学家Jeff Kimble和密歇根大学的Luming Duan提出了一项使之起作用的方案。他们的想法是在光腔内放置一个原子–一个微小的镜腔,其中的壁之间的间隔与光的波长相近。如果入射到腔体上的光子具有恰好合适的波长以使腔体共振,它将被吸收,从其中一面反射镜反射,然后再次返回。在此过程中,离去的光子的波形沿一点偏移– it experiences a “phase shift”.

The trick is that the resonance of the cavity depends on the state of the atom. If the atom is in a different state, the cavity does not resonate with the incident photon, and the photon simply bounces off without ever receiving a 相移. In this way, the state of the atom controls the phase-state of the transmitted photon. This is like a computer transistor, in which a gate voltage controls the flow of electric current.

十年过去了 斯蒂芬·里特(Stephan Ritter) Garching的Max-Planck量子光学研究所的同事和他们已经实施了Kimble和Duan’的建议使用光学“Fabry–Perót”空腔,由两个弯曲的镜组成,它们相距约半毫米。同时在哈佛大学和麻省理工学院, 米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin) 及其同事已经在具有仅几微米大小的腔的硅芯片上实施了该建议,从而进一步增强了光子–原子相互作用。在两个演示中,这都是被捕获的原子的自旋–可以上升或下降–控制空腔的共振。

实现了重叠和纠缠

两组都表明,它们可以以上下自旋的叠加方式制备原子,因此允许–原则上,至少–要执行的量子逻辑运算。 Ritter和同事进一步证明了他们的门会在原子和光子之间产生纠缠,从而可以将信息的量子位从一个转移到另一个。

光量子计算机还没有到来。但是这些实验至少给出了一个方向
莱布尼兹大学的Klemens Hammerer

克莱门斯·哈默勒(Klemens Hammerer) 德国莱布尼兹大学的教授认为这两个实验“breakthrough”,但警告说,它们仅仅是到目前为止的原理证明。“The set-up involved –听起来很简单–伴随着巨大的技术开销:这些实验通常会覆盖整个实验室,” he says. “对于光学量子信息处理的实际应用,将需要大量的光子,这些光子可以一个一个地进行交互。”, says Hammerer. “光量子计算机还没有到来。但是这些实验至少给出了方向。”

两组现在都在尝试将光腔中的几个原子链接起来,以构建原型量子网络或原型量子计算机。“第一步,我们目前正在将两个原子定位在同一个光学腔内,目的是利用腔内的光在两个原子之间执行量子门操作,”Lukin的Jeff Thompson说’s group.

这项研究发表在单独的论文中 性质.

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