根據11月29日發表在《Optica》上的一篇論文，斯坦福大學的研究人員提出了一種更簡單的光子量子計算機的設計，其將使用現成的組件。他們提出的設計使用激光來操縱一個原子，而這個原子又可以通過一種叫做“量子隱形傳送”(quantum teleportation) 的現象來修改光子的狀態。該原子可以被重置並重複用於許多量子門，消除了建立多個不同的物理門的需要，極大地降低了建立量子計算機的複雜性。
“通常情況下，如果你想建立這種類型的量子計算機，你必須採取潛在的數千個量子發射器，使它們都完全無法區分，然後將它們整合到一個巨大的光子電路中，”斯坦福大學應用物理學博士候選人和該論文的主要作者 Ben Bartlett說。“而採用這種設計，我們只需要少數相對簡單的部件，而且機器的大小不會隨着你想要運行的量子程序的大小而增加。”
這個非常簡單的設計只需要幾件設備：一根光纜，一個分束器 ，兩個光學開關和一個光學共振器。
幸運的是，這些組件已經存在，甚至可以在市場上買到。它們也在不斷地被完善，因為它們目前被用於量子計算以外的其他應用。例如，電信公司多年來一直致力於改進光纖電纜和光學開關。
“我們在這裡提出的是建立在人們為改進這些組件所做的努力和投資之上，”該論文的資深作者范汕洄說。“它們不是專門用於量子計算的新部件。”
一個新穎的設計
科學家們的設計由兩個主要部分組成：一個存儲環和一個散射單元。存儲環的功能類似於普通計算機中的存儲器，它是一個光纖環，裡面有多個光子，這些光子在環上移動。類似於經典計算機中存儲信息的比特，在這個系統中，每個光子代表一個量子比特。光子圍繞存儲環的旅行方向決定了量子比特的值，與比特一樣，它可以是0或1。此外，由於光子可以同時以兩種狀態存在，一個單獨的光子可以同時向兩個方向流動，這代表了一個同時是0和1的組合的值。
研究人員可以通過將光子從存儲環引導到散射單元來操縱光子，在那裡，光子會到達一個含有單個原子的空腔。然後光子與原子相互作用，使兩者成為”糾纏”，這是一種量子現象，兩個粒子甚至可以跨越遙遠的距離相互影響。然後，光子回到存儲環中，激光改變了原子的狀態。因為原子和光子是糾纏在一起的，操縱原子也會影響其配對的光子的狀態。
Bartlett說：“通過測量原子的狀態，你可以將操作傳送到光子上。所以我們只需要一個可控的原子量子比特，我們可以用它作為代理來間接操縱所有其他的光子量子比特。”
研究人員指出，因為任何量子門都可以被編譯成在原子上執行的操作序列，所以原則上，可以只用一個可控原子量子比特來運行任何規模的量子程序。為了運行一個程序，代碼被翻譯成一連串的操作，將光子引導到散射單元並操縱原子量子比特。因為可以控制原子和光子的互動方式，同一個設備可以運行許多不同的量子程序。
Bartlett表示：“對於許多光子量子計算機來說，門是光子通過的物理結構，所以如果你想改變正在運行的程序，往往需要對硬件進行物理上的重新配置。而在這種情況下，你不需要改變硬件–你只需要給機器一套不同的指令。”