陆军研究人员朝着室温下的量子计算前进

捕获两个光子的光子结构的设计。光子沿水平方向传播，进入十字架的每一臂。放置孔，使两个光子都被捕获在臂交叉的中心。蓝色和红色曲线代表各个光子的电场强度。由于形成交叉的晶体的非线性，光子相互作用。

陆军研究人员预测，在大约十年后，不再需要极寒的温度才能起作用的量子计算机电路将成为现实。

多年来，在室温下运行的固态量子技术似乎遥不可及。尽管具有光学非线性的透明晶体的应用已经成为实现这一里程碑的最可能途径，但这种系统的合理性始终是个问题。

现在，陆军科学家已经正式证实了这种方法的有效性。美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的Kurt Jacobs博士与麻省理工学院的Mikkel Heuck博士和Dirk Englund教授一起，率先证明了包括以下方面的量子逻辑门的可行性：光子电路和光学晶体。

希克说：“如果未来使用量子技术的设备需要冷却至非常冷的温度，那么这将使其变得昂贵，笨重且耗电。”“我们的研究旨在开发未来的光子电路，该电路将能够在室温下操纵量子器件所需的纠缠。”

量子技术在计算，通信和遥感领域提供了一系列未来的进步。

为了完成任何类型的任务，传统的经典计算机使用完全确定的信息来工作。该信息存储在许多位中，每个位可以打开或关闭。当给定由多个位指定的输入时，经典计算机可以处理该输入以产生答案，该答案也以多个位给出。经典计算机一次处理一个输入。

相反，量子计算机将信息存储在量子位中，而量子位可能处于奇怪的状态，即它们同时处于打开和关闭状态。这使量子计算机可以同时探索许多输入的答案。虽然它不能一次输出所有答案，但可以输出这些答案之间的关系，这使其比传统计算机更快地解决了一些问题。

不幸的是，量子系统的主要缺点之一是量子位的奇特状态的脆弱性。量子技术的大多数预期硬件必须保持在极低的温度下（接近零开尔文），以防止特殊状态因与计算机环境的相互作用而被破坏。

雅各布斯说：“量子比特与环境中其他任何物质的任何相互作用都将开始扭曲其量子态。”“例如，如果环境是粒子气体，那么将其保持在非常冷的状态会使气体分子缓慢移动，因此它们不会像撞到量子电路那样多。”

研究人员已做出各种努力来解决这个问题，但尚未找到确切的解决方案。目前，结合非线性光学晶体的光子电路目前已成为在室温下使用固态系统进行量子计算的唯一可行途径。

恩格隆德说：“光子电路有点像电子电路，只是它们操纵光而不是电信号。”“例如，我们可以使用透明材料制作通道，使光子向下传播，就像电信号沿导线传播一样。”

与使用离子或原子存储信息的量子系统不同，使用光子的量子系统可以绕过低温限制。但是，光子仍必须与其他光子相互作用才能执行逻辑运算。这是非线性光学晶体发挥作用的地方。

研究人员可以在晶体中制造出将空子暂时俘获到其中的空腔。通过这种方法，量子系统可以建立一个量子位可以保持的两个不同的可能状态：一个带光子的腔（打开）和一个不带光子的腔（关闭）。这些量子位然后可以形成量子逻辑门，从而为奇特状态创建框架。

换句话说，研究人员可以使用光子是否在晶体腔中的不确定状态来表示量子位。逻辑门共同作用于两个量子位，并且可以在它们之间产生“量子纠缠”。这种纠缠是在量子计算机中自动生成的，是量子方法在传感中的应用所必需的。

然而，直到现在，科学家们还是基于完全基于推测的观点，使用非线性光学晶体来制造量子逻辑门。尽管它显示出巨大的希望，但仍然怀疑这种方法是否可能导致实际的逻辑门。

直到美国陆军实验室和麻省理工学院的研究人员提出了一种使用已建立的光子电路组件来利用这种方法实现量子逻辑门的方法之前，非线性光学晶体的应用一直存在疑问。

雅各布斯说：“问题是，如果一个光子在某个通道中传播，那么该光子就会有一个具有一定形状的'波包'。”“对于量子门，您需要光子波包在门操作后保持不变。由于非线性会扭曲波包，所以问题是，是否可以将波包加载到空腔中，让它们通过非线性相互作用，然后再次发射光子，以使它们具有与开始时相同的波包。”

一旦他们设计了量子逻辑门，研究人员就对门的操作进行了许多计算机模拟，以证明它在理论上可以适当地发挥作用。研究人员说，用这种方法实际构建量子逻辑门首先需要对某些光子组件的质量进行重大改进。

希克说：“根据过去十年取得的进展，我们预计大约需要十年才能实现必要的改进。”“但是，使用当前的实验技术，我们应该能够实现不失真地加载和发射波包的过程，因此，这是我们下一步将要进行的实验。”

《物理评论快报》于2020年4月20日在同行评审的论文中发表了该团队的发现。

参考：Mikkel Heuck，Kurt Jacobs和Dirk R. Englund撰写的“利用动态耦合腔和光学非线性控制相闸门”，2020年4月20日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.124.160501