由陆军研究实验室 信用:CC0公共领域 陆军研究人员预测，大约十年后，不再需要极低温度就能工作的量子计算机电路可能会成为现实
多年来，在室温下运行的固态量子技术似乎遥不可及
尽管具有光学非线性的透明晶体的应用已经成为通向这一里程碑的最有可能的途径，但这种系统的合理性始终是个问题
现在，陆军科学家已经正式证实了这种方法的有效性
医生
库尔特·雅各布斯
S
陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室，与Dr
米克克尔·豪克和教授
麻省理工学院的德克·恩格隆德第一个证明了由光子电路和光学晶体组成的量子逻辑门的可行性
豪克说:“如果未来使用量子技术的设备需要冷却到非常冷的温度，那么这将使它们变得昂贵、笨重和耗电。”
“我们的研究旨在开发未来的光子电路，能够在室温下操纵量子器件所需的纠缠
" 量子技术在计算、通信和遥感方面提供了一系列未来的进步
为了完成任何一种任务，传统的经典计算机处理完全确定的信息
信息存储在许多位中，每个位都可以打开或关闭
当给定一个由若干位指定的输入时，一台经典计算机可以处理这个输入以产生一个答案，这个答案也是以若干位给出的
经典计算机一次处理一个输入
相比之下，量子计算机将信息存储在量子位中，量子位可能处于一种奇怪的状态，同时处于开启和关闭状态
这使得量子计算机可以同时探索许多输入的答案
虽然它不能一次输出所有的答案，但它可以输出这些答案之间的关系，这使得它能够比经典计算机更快地解决一些问题
不幸的是，量子系统的主要缺点之一是量子比特奇怪状态的脆弱性
大多数用于量子技术的未来硬件必须保持在极低的温度下——接近零开尔文——以防止特殊状态因与计算机环境相互作用而被破坏
雅各布斯说:“一个量子位与其环境中任何其他东西的任何相互作用都会开始扭曲其量子态。”
“例如，如果环境是一种由粒子组成的气体，那么保持非常冷的环境可以让气体分子缓慢移动，这样它们就不会像以前那样撞击量子电路
" 研究人员已经做出了各种努力来解决这个问题，但是还没有找到一个明确的解决方案
目前，包含非线性光学晶体的光子电路已经成为室温下固态系统量子计算的唯一可行途径
恩格隆德说:“光子电路有点像电路，只是它们操纵的是光而不是电信号。”
“例如，我们可以在透明材料中制作通道，让光子向下传播，有点像电信号沿着电线传播
" 与使用离子或原子存储信息的量子系统不同，使用光子的量子系统可以绕过低温限制
然而，光子必须仍然与其他光子相互作用以执行逻辑运算
这就是非线性光学晶体发挥作用的地方
研究人员可以在晶体中设计空腔，暂时将光子捕获在其中
通过这种方法，量子系统可以建立一个量子位可以保持的两种不同的可能状态:有光子的腔(开)和没有光子的腔(关)
这些量子比特然后可以形成量子逻辑门，为奇怪的状态创造框架
换句话说，研究人员可以用光子是否在晶体腔中的不确定状态来表示一个量子位
逻辑门一起作用于两个量子位，可以在它们之间产生“量子纠缠”
这种纠缠是在量子计算机中自动产生的，并且是量子方法在传感应用中所必需的
然而，科学家们利用非线性光学晶体制造量子逻辑门的想法完全是基于推测——直到现在
虽然它显示出巨大的希望，但人们仍然怀疑这种方法是否能产生实用的逻辑门
非线性光学晶体的应用一直是个问题，直到陆军实验室和麻省理工学院的研究人员提出了一种方法，用这种方法利用已有的光子电路元件实现量子逻辑门
雅各布斯说:“问题是，如果一个光子在通道中传播，这个光子就会有一个特定形状的‘波包’。”
“对于量子门，你需要光子波包在门运行后保持不变
因为非线性会扭曲波包，问题是你是否可以把波包放入空腔，让它们通过非线性相互作用，然后再次发射光子，这样它们就有了和开始时一样的波包
" 一旦他们设计了量子逻辑门，研究人员就对该门的操作进行了大量的计算机模拟，以证明它在理论上可以正常工作
研究人员说，用这种方法实际构建量子逻辑门首先需要显著提高某些光子元件的质量
豪克说:“根据过去十年取得的进展，我们预计需要大约十年的时间来实现必要的改进。”
“然而，加载和发射无失真的波包的过程是我们应该能够用当前实验技术实现的，因此这是我们下一步将进行的实验
" 《物理评论快报》在4月20日的一篇同行评议论文中公布了该团队的发现
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