微型“光陷阱”或将助力百万量子比特计算机问世

斯坦福大学物理学家领导的团队开发出一种新型光学腔，它能高效捕获单个原子发射的单光子（光的基本粒子）。这些原子是量子计算机的核心组件，因为它们存储量子比特——量子计算中相当于传统计算里0和1的基本单位。这一方法首次实现了同时从所有量子比特中收集信息。

光学腔实现更快的量子比特读取
这项发表在《自然》杂志上的研究中，团队介绍了一个由40个光学腔组成的系统（每个光学腔容纳一个原子量子比特），以及一个包含500多个光学腔的更大原型。研究结果为构建未来可能包含多达100万个量子比特的量子计算网络指明了现实路径。

该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学及应用物理学副教授乔恩·西蒙表示：“如果我们想制造量子计算机，就需要能够非常快速地读取量子比特中的信息。到目前为止，还没有一种实用的方法能大规模做到这一点，因为原子发光速度不够快，而且光还会向各个方向散射。光学腔能高效地将发射的光导向特定方向，现在我们找到了一种方法，为量子计算机中的每个原子配备自己的独立光学腔。”

光学腔如何控制光
光学腔通过将光捕获在两个或多个反射面之间工作，使光来回反射。这种效果可以比作站在游乐场哈哈镜之间，反射似乎无尽地延伸到远方。在科学环境中，这些腔体要小得多，并利用激光束的多次反射来从原子中提取信息。

尽管光学腔已研究数十年，但很难与原子配合使用，因为原子极小且几乎透明。让光与原子产生足够强的相互作用一直是个难题。

使用微透镜的新设计
斯坦福团队没有依赖多次反射，而是在每个腔体内引入微透镜，将光紧密聚焦到单个原子上。事实证明，即使反射次数减少，这种方法从原子中提取量子信息的效果也更好。

斯坦福大学科学研究员、该研究的第一作者亚当·肖说：“我们开发了一种新型腔体结构；它不再只是两个镜子了。我们希望这能让我们构建速度显著更快、分布式的量子计算机，它们之间能以更快的数据速率通信。”

超越经典计算的二进制限制
传统计算机使用代表0或1的比特处理信息。量子计算机使用基于微小粒子量子态的量子比特运行。量子比特可以同时代表0、1或两种状态，使量子系统能比经典计算机更高效地处理某些计算。

西蒙说：“经典计算机必须逐个处理各种可能性，寻找正确答案。但量子计算机就像降噪耳机，比较答案的组合，放大正确答案，同时抑制错误答案。”

向量子超级计算机扩展
科学家估计，量子计算机需要数百万个量子比特才能超越当今最强大的超级计算机。西蒙认为，达到这一水平可能需要将许多量子计算机连接成大型网络。本研究展示的基于光的并行接口为扩展到这些规模提供了高效基础。

研究人员在当前研究中展示了一个可工作的40腔阵列，以及一个包含500多个腔体的概念验证系统。他们的下一个目标是扩展到数万个。展望未来，该团队设想量子数据中心，其中单个量子计算机通过基于腔体的网络接口连接，形成全尺寸量子超级计算机。

更广泛的科技影响
尽管仍存在重大工程障碍，但研究人员认为潜在益处巨大。大规模量子计算机可能带来材料设计和化学合成的突破，包括药物研发相关应用，以及密码破解的进步。

高效收集光的能力也有超越计算的意义。腔体阵列可以改进生物传感和显微镜技术，支持医学和生物学研究的进展。量子网络甚至可能通过实现具有更高分辨率的光学望远镜为天文学做出贡献，有望让科学家直接观测太阳系外恒星周围的行星。

肖说：“随着我们更多地了解如何在单粒子水平上操控光，我认为这将改变我们观察世界的能力。”