未来的量子计算机将能够执行当今计算机无法完成的计算。这些可能包括破解当前用于安全电子交易的加密的能力，以及有效解决难以解决问题的方案数量呈指数增长。魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的Barak Dayan教授在量子光学实验室的研究通过提供这种量子计算机内部和之间的通信所需的“量子门”，可能使这种计算机的发展更进一步。
与现今仅存在于两种状态(0和1)之一中的电子位(electronic bit )相反，量子比特(quantum bit, 即qubit)也可以处于同时对应于0和1的状态。这被称为量子叠加，它为量子比特提供了边缘，因为由它们组成的计算机可以并行执行大量计算。
只有一个问题：量子叠加态的状态只有在外部世界不以任何方式观察或测量时才能存在；否则所有可能的状态都会崩塌成一个状态。这导致了相互矛盾的要求：为了使量子比特一次存在于几个状态，它们需要被妥善地隔离，但同时它们需要与许多其他量子比特进行交互和通信。这就是为什么尽管世界上有几家实验室和公司已经展示了具有几十个量子比特的小型量子计算机，但将这些量化计算机扩展到数百万量子比特所需的规模仍然是一个主要的科学和技术障碍。
一种有希望的解决方案是使用具有小的、可管理的量子比特的隔离模块，当需要光学链路时可以在它们之间进行通信。存储在材料量子比特（例如单个原子或离子）中的信息然后将被转移到“飞行量子比特”——被称为光子的单个光粒子。这个光子可以通过光纤发送到远距离的材料量子比特，并转移它的信息，而不让环境感知到该信息的性质。创建这样一个系统的挑战是单个光子携带极少量的能量，而包含材料量子比特的微小系统通常不会与这种弱光相互作用。
位于魏茨曼科学研究所的达扬量子光学实验室(Dayan’s quantum optics lab)是全球为数不多的专注于攻克这一科学挑战的团体之一。他们的实验装置将单个原子与芯片上独特的微米级二氧化硅谐振器耦合；光子通过特殊的光纤直接发送到这些中。在之前的实验中，Dayan和他的团队展示了他们的系统作为单光子激活开关的功能，以及从闪光中“采集”单个光子的方法。在本研究中，Dayan和他的团队第一次成功地创建了一个逻辑门，其中光子和原子自动交换它们携带的信息。该研究已发表在《自然物理学》杂志上。
“光子带有一个量子比特，原子是第二个量子比特。” Dayan说，“每次光子和原子相遇时，它们会自动地同时交换它们之间的量子比特，然后光子继续使用新的信息。在量子力学中，信息无法被复制或删除，这种交换信息实际上是读写的基本单位——量子通信的“原生”门。
这种类型的逻辑门——一个SWAP门——可用于在量子计算机内和量子计算机之间交换量子比特。由于该门不需要外部控制场或管理系统，因此可以构建超大规模集成(VLSI)网络的量子等价物。“我们演示的SWAP门适用于所有类型的基于物质的量子比特之间的光子通信——不仅仅是原子。” Dayan说，“因此，我们相信它将成为下一代量子计算系统的重要组成部分。”
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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