國防科技大學重大進展：用光子製造量子電腦

研究人員用矽芯片做出了兩個量子比特的處理器。

矽讓我們可以將數十億個晶體管封裝在單單一塊芯片上，因而為我們帶來了今天的電腦。有朝一日它可能還會帶來功能強大得多的電腦，因為研究人員已展示了一種可操縱單個光子以製造量子光子處理器的的矽芯片。

量子計算基於量子力學的奇特規則，這讓量子計算有望執行傳統電腦設計永遠都無法實現的運算，比如迅速破解密碼或模擬大爆炸。量子電腦基於量子比特，它們就好比經典計算中的比特。但是與經典電腦中婦孺皆知的0和1不同，量子比特可以疊加，同時保持多個狀態，因而大大擴展了計算能力。量子比特還可以糾纏，因此測量一個量子比特可提供另一個量子比特的狀態方面的資訊。

像IBM和谷歌這樣的公司正在竭力開發有足夠多的互連量子比特以執行強大運算的設備。但到目前為止，它們隻做到了幾十個量子比特。量子比特的主要競爭技術是冷卻到接近絕對零度的超導線和陷俘離子（trapped ion，由雷射固定其位置的原子）。這些技術的問題在於，隨著系統中的量子比特數量不斷增加，它們與外界互動的可能性隨之加大，失去了量子狀態（名為相乾性），因而變得毫無用處。

強曉剛表示，但光子不會有這個問題。他與主要以英國布裡斯托爾大學為研究基地的一隊研究人員共同研製出了這種芯片。他說：“光子並不與周圍環境互動，因而就不存在短暫的相乾時間這個問題。”他表示，同樣可以以超高的精度來操縱光子。當然，光子以光速來傳輸。除此之外，光子芯片可以充分利用電腦行業建立起來的整個基於矽的基礎設施。

該芯片由許多干涉儀組成，干涉儀將光子分成不同的太空模式。每個模式都通過一個特定的波導來傳輸，因此一個波導中的一個光子代表1，而在另一個波導中它代表0。知道某一個光子沿哪條路徑傳輸就能表明對應的糾纏光子在哪條路徑上。

光子使用熱光移相器來進行編碼，熱光移相器由電壓控制。強曉剛說：“移相器的不同設定控制著光子在干涉儀中的傳輸行為，因而可實現不同的量子比特狀態編碼和不同的量子操作。”

為了將系統擴大到切實有用的規模，研究人員就得想辦法在芯片上生成多得多的相同的糾纏光子。另外還面臨這一技術挑戰：在芯片上安裝足夠多的移相器、分光器及其他光學元件以處理所有這些光子。不過強曉剛表示，矽光子學已表明了它有能力將許多器件塞到狹小的太空並使它們都協同運行，同時做到高精度，“因此它實際上是實現終極的大規模光子量子處理器的實用方法。”