QC观察丨行走的玻色-爱因斯坦凝聚物可能导致可扩展的量子计算机-量子客
玻色-爱因斯坦凝聚物的计算机模型,显示出它的一些波浪状性质

我们经常看到的量子计算主要有两种形式:门量子计算绝热量子计算。然而,还有第三种称为量子行走。量子行走是在自然界中发现的:量子行走是光合作用中电子转移步骤的工作原理。现在,研究人员已经让整个原子云跟上了他们的量子节拍。

量子行走可以用光来实现,但是你需要为每一次计算制作一台新计算机。然而,在玻色-爱因斯坦凝聚物(BEC)中,光和物质的作用是相反的。研究人员用它来演示BEC量子行走。

一大堆量子计算机

在我们进入正题之前,让我们快速比较一下不同的量子计算机类型。门量子计算机(gate quantum computer)是最熟悉的。使用门集合运用离散逻辑运算来执行计算,并在最后读出答案。绝热量子计算(Adiabatic quantum computing)不涉及离散运算。相反,问题被重新设定为某些能源图景的最低能量状态(比如解决方案位于波峰图的最低谷)。诀窍是从一个看起来像光滑的波谷开始,然后慢慢创建波峰,以便量子比特在过程完成时落入最低谷。读出量子比特的值就得出了问题的解决方案。

量子行走不同于以上两者。问题被编码为一系列路径。量子状态立即采用所有可能的路径,但路径允许量子状态干扰自身,使得编码解决方案的路径具有高概率,而其余的路径则不然。换句话说,你提交某些量子物体 - 比如光子 - 并测量光子出现的位置以获得解决方案。

诀窍是创建一组相互关联的路径来编码你希望解决的问题。如果光子是量子比特,你可以使用光纤做到这一点。光纤要彼此仔细耦合,以便量子比特可以行走进多个路径并与自身混合。耦合的强度决定了光子在每根光纤中传播的“多少”,而光纤的长度决定了干涉是否具有建设性或者破坏性。

光的量子行走是友好的,但每个设备都是固定的:光纤的长度和不同光纤之间的耦合不能轻易调整。基本上,基于光的量子行走的计算机缺乏可编程元件。

像光一样流动的物质

然而,在BEC中,光和物质的作用可以互换。BEC是极冷原子的集合体,它们都处于相同的量子态。从本质上讲,这意味着该集合的行为类似于单个粒子。当你用光波脉冲击中BEC时,它会被踢出一些动量,导致它漂移。但漂移的方向取决于BEC的内部状态。通过施加微波脉冲来设定内部状态。因此,例如,正确的微波脉冲将BEC设置为两个状态的叠加。如果微波脉冲之后是来自激光器的反冲,那么由于该叠加,BEC必须立即在两个方向上移动。

研究人员表明,BEC的空间路径可以通过微波和激光脉冲序列来控制,控制器的作用就像熟练的弹球运动员一样。但这是量子弹球:每当BEC击中保险杠时,球就会向多个方向移动并击中多个额外的保险杠。为了使事情更复杂,球在不同点交叉路径并重新组合。在路径重叠的地方,BEC会干扰自身。干扰降低了在某些路径上找到BEC的概率,而在其他路径上增加了BEC——这正是我们想要的量子计算。

让光变得坚实

在光需要彼此之间具有固定耦合的玻璃纤维(以及耦合点之间的固定长度)的情况下,BEC版本会更灵活。光踢动使得BEC在自由空间中移动,而微波脉冲在不同路径之间起耦合作用。关键点在于光脉冲的数量改变了路径长度,而微波脉冲的强度改变了不同路径之间的耦合。由于光和微波脉冲都不是固定的——它们可以随时改变——路线是可编程的。

但是还没有电脑。研究人员已经证明,单个BEC可以通过一个量子行走。然而,他们没有证明他们可以在该量子行走中编码问题。

据悉,这一步将会有一些困难。制作计算机意味着不同的路径应该受到不同的微波脉冲的影响。使用光纤模拟:在光子被分割成两条不同的路径后,左路径应该受到相对于右路径的不同耦合和路径长度的影响。但是,不同BEC路径之间的距离非常小,以至于不可能将微波脉冲仅针对其中一个。换句话说,我们不能阻止微波源修改整个BEC的内部状态。

尽管如此,这是一个良好的开端。BEC量子行走有可能结合几个世界的优点。BEC在干净的真空世界中运作并依赖于中性原子。它们应该能够提供高度可靠和长寿的量子比特。在这方面,它们更像是离子阱量子计算机。此外,量子行走可以提供一种扩展到更大问题的方法,而不必单独寻址大量量子比特的问题。在这方面,该方法则更像是绝热量子计算,并提供了扩展的前景。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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