前沿科技之光子芯片開辟量子計(jì)算新道路

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由英國(guó)布里斯托爾大學(xué)(University of Bristol)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組開辟了一條量子計(jì)算的新道路，有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的復(fù)雜運(yùn)算。該校量子光學(xué)中心的科學(xué)家們成功地制備出一種可用于量子計(jì)算的光子（硅）芯片，從而為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)和量子模擬打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
6 j# x6 P8 f' A) o# h量子計(jì)算機(jī)是一種全新的基于量子理論的計(jì)算機(jī)。不同于處理比特的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)處理的是量子比特。相比于只能處在0 或1中某一狀態(tài)的經(jīng)典比特，量子比特可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)上，從而可以存儲(chǔ)和處理更多的信息。而這種光子芯片的制備為量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)開辟了一條全新的道路。
5 k# Y6 y3 ]- s3 S9 O“過去科學(xué)界普遍認(rèn)為，25 年內(nèi)量子計(jì)算都無法實(shí)用化”，量子光學(xué)中心主任Jeremy O'Brien
1 f' i6 V* T2 I% b9 }教授說到，“然而我們相信，利用這項(xiàng)新技術(shù)，超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)10 年之內(nèi)就可能出現(xiàn)。”
7 g/ t+ F/ a  {3 {7 n7 E利用這項(xiàng)在布里斯托爾發(fā)展出來的技術(shù)，研究者們讓兩個(gè)完全相同的光粒子(光子)通過一個(gè)光子芯片——刻錄在硅片上的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)被稱為量子游走（Quantum Walk）的物理過程。此前，已有研究組實(shí)現(xiàn)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(cè)到。“通過操縱兩光子系統(tǒng)，計(jì)算能力將得到指數(shù)性的提高”，O'Brien
教授說到，“這項(xiàng)技術(shù)開辟了量子信息科學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算鋪平了道路，而量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)將幫助我們理解最為復(fù)雜的科學(xué)問題。”
% f' `/ ]! ]1 Y- Y該研究組計(jì)劃近期內(nèi)即將此技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)新的模擬工具。長(zhǎng)期來看，這種基于多光子量子游走的量子計(jì)算機(jī)可用來模擬諸如超導(dǎo)、光合作用等由量子力學(xué)規(guī)律主導(dǎo)的復(fù)雜現(xiàn)象。“我們的技術(shù)不僅能幫助人們更好地理解這些重要的物理現(xiàn)象，還有助于高效太陽(yáng)能電池的制備等實(shí)際的應(yīng)用。”可能的應(yīng)用還包括超高速搜索引擎的實(shí)現(xiàn)，高端材料的研制以及新藥的研發(fā)等。
6 B. i  i1 l0 {& a6 P3 e- X從單光子到雙光子并不是簡(jiǎn)單的跨越，要實(shí)現(xiàn)光子間的這種相互作用，必須保證這兩個(gè)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(jīng)典波動(dòng)理論解釋，雙光子量子游走無法用任何經(jīng)典的理論來解釋，完全是一種量子現(xiàn)象。
( y* M, J& p+ p% N2 N2 L4 {“目前我們實(shí)現(xiàn)和觀測(cè)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(shí)現(xiàn)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(jiǎn)單的光子數(shù)目的增長(zhǎng)”，O'Brien 教授說到，“每添加一個(gè)光子，可解決的問題的復(fù)雜度是成指數(shù)增加的。比方說，單光子的量子游有10 種可能的結(jié)果，那么兩光子的量子游走將會(huì)有100 種結(jié)果，三光子量子游走的結(jié)果將有1000 種！”
: _& u- p- W1 U接下來，這個(gè)由英國(guó)布里斯托爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，包括日本東北大學(xué)、以色列魏茨曼科學(xué)研究所、荷蘭屯特大學(xué)在內(nèi)的國(guó)際研究小組將利用光子芯片來進(jìn)行量子力學(xué)模擬，并準(zhǔn)備通過增加光子數(shù)和增大芯片尺寸等手段來完成更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。
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