量子計算機有望在未來某一天將傳統計算機遠遠拋在身後，但到目前為止，過於複雜的特性，還是限制了它的實用性。好消息是，斯坦福大學的一支工程師團隊，剛剛介紹了一種相對新穎且簡單的量子計算機設計。其中單個原子與一系列光子糾纏在一起，以處理和存儲信息。
研究配圖 – 1：
得益於量子物理學的奇妙特性，量子計算機能夠執行較傳統計算機快得多的計算。而且在信息的存儲和處理上，傳統計算機只具有“0”和“1”這兩種狀態，但量子計算機還可以兩者兼顧。
這意味着量子計算機的計算能力，會隨着量子比特（qubit）的增加而呈現指數級的增長，從而使之能夠解決經典計算機無法解決的諸多問題。
研究配圖 – 2：
與此同時，量子計算機也面臨著巨大的挑戰。一方面，量子計算機運行所依賴的量子效應，對振動或熱量等干擾非常敏感，因而現階段只能努力將之維持在接近絕對零度的環境中。
另一方面，量子計算機的複雜性，會隨着機器計算能力的擴展而急劇增加，導致它們的物理尺寸也更大、更笨重。
研究配圖 – 3：
好消息是，斯坦福團隊表示，他們的新設計已經相當簡單。而且作為一個光子電路，它能夠使用某些現成的組件來打造 —— 包括一根光纜、一個分束器、兩個光開關、以及一個光腔。
如此一來，這套設計就能夠減少量子計算機所需的物理邏輯門的數量。研究一作 Ben Bartlett 表示：“通常情況下，如果你想要構建這種類型的計算機，動輒需要使用數以千計的量子發射器，並將之集成到一個巨大的光子電路中”。
而斯坦福研究團隊的新方案，只需動用一些相對簡單的組件，且機器大小不會隨着需要運行的量子程序的大小而增加。
研究配圖 – 4：
如圖所示，新設計主要由兩個部分組成。其一是存儲光子的環和散射單元。光子代表着量子比特，且通過繞環行進的方向來決定“0”或“1”的狀態。若同時向著兩個方向行進，就表明光子呈現了量子疊加態。
為了對光子信息進行編碼，系統可將它們引導出環、進入散射單元，然後使之進入包含單個原子的腔。當光子與原子相互作用時，它們會發生糾纏。
在這種量子狀態下，兩個粒子不再能分開描述。對一個粒子所做的改變，會影響與它結對的那個粒子，而不論它們之間相隔有多遠。
光子量子計算機動圖（15s 視頻 via）
在光子返回存儲環后，設備還可通過激光操縱原子，以完成“寫入”操作。研究團隊指出，一個原子能夠被重置和重複使用，且他們能夠在一個環中操縱許多不同的光子。
這意味着量子計算機的計算能力，可以通過向環中添加更多光子來實現規模擴張，而不是魯莽地配備更多環和散射單元。
更重要的是，這套系統提供應該能夠運行各種量子操作。通過編寫新代碼來改變原子與光子相互作用的方式和時間，就可以在在同一電路上運行不同的程序。
研究生 Ben Bartlett / 電氣工程教授 Shanhui Fan（來自：Stanford University）
Ben Bartlett 補充道：“通過測量原子的狀態，你可以將操作傳送到光子上。因而我們只需一個可控的原子量子比特，並將它作為代理，來間接操縱所有其它光子量子比特”。
對於許多光子量子計算機來說，門就是光子所穿過的物理結構。此時如果你想改變正在運行的程序，通常就需要對硬件進行重新配置。
而在斯坦福的新方案下，你並不需要改變硬件 —— 只需向機器傳遞一組不同的指令即可。更棒的是，量子量子計算機系統可在室溫下運行，從而消除了對體積異常龐大的極端冷卻系統的需求。
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《Optica》期刊上，原標題為《Deterministic photonic quantum computation in a synthetic time dimension》。