[新聞] 簡化的量子計算機可以用現成的組件製造
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斯坦福大學的工程師現在已經展示了一種新的相對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。
量子計算機利用量子物理學的怪異世界來執行計算，其速度遠遠超過傳統計算機的處理速
度。在現有機器以比特存儲和處理信息的情況下，作為一和零，量子計算機使用量子比特
，它可以作為一、零或同時作為一和零的疊加存在。這意味著它們的能力隨著每增加一個
量子比特而呈指數級增長，從而使它們能夠解決經典計算機無法解決的問題。
當然，量子計算機也帶來了自己的挑戰。一方面，它們運行的量子效應對振動或熱等干擾
很敏感，因此量子計算機需要保持在接近絕對零的溫度下。因此，它們的複雜性與機器的
計算能力成比例，因此隨著處理能力的增加，它們在物理上變得更大、更笨重。
但斯坦福團隊表示，他們的新設計看似簡單。它是一種光子電路，使用了一些現有的組件
——一根光纖電纜、一個分束器、兩個光開關和一個光腔——它可以減少所需的物理邏輯
門的數量。
“通常情況下，如果你想建造這種類型的量子計算機，你必須使用潛在的數千個量子發射
器，使它們完全無法區分，然後將它們集成到一個巨大的光子電路中，”該研究的主要作
者 Ben Bartlett 說。“而通過這種設計，我們只需要幾個相對簡單的組件，並且機器
的大小不會隨著你想要運行的量子程序的大小而增加。”
新設計由兩個主要部分組成：一個存儲光子的環和一個散射單元。光子代表量子比特，它
們繞環行進的方向決定了它們的值是 1 還是 0——或者如果它同時在兩個方向上行進，
則兩者都是，這要歸功於量子疊加的怪癖。
為了對光子的信息進行編碼，系統可以將它們引導出環進入散射單元，在那裡它們進入一
個包含單個原子的空腔。當光子與原子相互作用時，它們會發生糾纏，這是一種無法再單
獨描述兩個粒子的量子狀態，並且對一個粒子所做的更改將影響其夥伴，無論它們之間的
距離有多大。
在實踐中，光子返回存儲環後，可以通過用激光操縱原子來“寫入”它。該團隊表示，一
個原子可以重置和重複使用，在一個環中操縱許多不同的光子。這意味著可以通過向環中
添加更多光子來擴大量子計算機的能力，而不是需要添加更多的環和散射單元。
“通過測量原子的狀態，你可以將操作傳送到光子上，”巴特利特說。“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光子量子比特。”
重要的是，這個系統應該能夠運行各種量子操作。該團隊表示，不同的程序可以在同一電
路上運行，通過編寫新代碼來改變原子和光子相互作用的方式和時間。
“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，它通常涉及對硬件進行物理重新配置，”巴特利特說。“然而在本裝置，你不
需要改變硬件——你只需要給機器一組不同的指令。”
更好的是，光子量子計算機系統可以在室溫下運行，從而消除了極端冷卻系統增加的體積
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魏平暉 真理大學校史館
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