量子计算新进展：新型量子逻辑门

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的一项研究，揭开了光量子计算的部分谜题。

电子系统工程系副教授Jung-Tsung Shen使用一种新形式的光，发明了一种确定的、高保真的两位量子逻辑门。这种新的逻辑门比已有逻辑门的效率高数个数量级。

“理想情况下，（这种逻辑门）的保真度可高达97%。”Shen教授说。此项研究发表于2021年5月的Physical Review A期刊上。

图 1 高保真的两位逻辑门

得益于量子系统的不同寻常的特性，量子计算机拥有巨大的应用前景：一个量子系统可同时包含多个不同的特征和量子态；量子的量子纠缠特性，使得两个粒子能在位置彼此远离的情况下，仍然能够以一种经典力学无法解释的形式相关联。

在普通计算机中，比特（即1或0）的值由电压决定。在量子领域，研究人员通常将单个电子作为“量子比特”。之所以将电子作为比特单位，是因为其具有这几个特性：电子容易使用电场、磁场操纵，且彼此之间存在相互作用。电子之间的相互作用在需要用到两个纠缠的比特时，具有重要的作用。

然而与此同时，电子之间的相互作用也会造成一些问题。不论是杂散磁场，还是电线，都会影响电子，难以实现对电子的精准控制。

在过去的二十年中，部分科学家一直试图用光子代替电子作为量子位元。“如果我们想让计算机发挥更大的作用，必须利用光量子搭建计算平台。”Shen教授说。

光子不带电荷，这又会导致另一方面的难题：虽然光子不会像电子一样与环境相互作用，但它们彼此之间也不存在相互作用。如何设计一种点对点、有效的相互作用的光子，是一项挑战。

几年前，研究这一问题的科学家们发现，在进入一个逻辑门时不存在纠缠的光子对，由于在离开逻辑门时的观测行为，两个光子似乎表现为纠缠态。量子力学中的观测效应，是量子力学又一难以理解的现象。

“量子力学本身并不难；然而却充满了惊喜，” Shen说。

这是首次发现观测行为对系统的作用，但这一发现也并非完全是颠覆性的。实验中，每100万个光子中，只有一对光子表现为了纠缠态。在随后的实验中，研究人员让更多的光子表现出了纠缠态，然而Shen教授说，“这一数量仍然无法满足计算机的应用需求”，计算机每秒至少会执行数百万到数十亿次操作。

Shen发现了一种新的量子光子态——光子dimer，即在空间和频率上都互相纠缠的光子，因此得以构建了一个高效的两位量子逻辑门。Shen对这种光子态的预测在2013年得到了实验证实，自此之后他一直致力于这种形式光的应用。

当单个光子进入一个逻辑门后，光子在穿过逻辑门之后并不会发生改变。但在两个光子的情况下，“根据我们的理论，光子对将形成一种新的状态，即光子dimer。这一新状态对于量子计算机来说至关重要。”

从数学上讲，两位逻辑门有许多种实现方法。这些不同的设计互为 “等效”。Shen及其研究小组所设计的逻辑门是受控相位门（受控Z门）。受控相位门的主要功能是将光子态变为其反状态。

“古典电路中不存在 ‘负号’。”Shen说。“但在量子计算中‘负号’是存在的，而且至关重要。”

Shen教授一直在与密歇根大学合作测试这一固态逻辑门，这种逻辑门能够在适当条件下工作。他说，到目前为止的结果都非常令人满意。Shen说，尽管大多数人仍然对逻辑门的工作原理云里雾里，但是对于深谙此道的科学家来说，原理其实非常简单。他说：“就像拼图一样，拼图的过程也许很复杂，但一旦完成了整副拼图，只需一瞥你就判断整个拼图是否正确。”