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光子芯片开辟量子计算新道路

2010-09-18 10:57
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  由英国布里斯托尔大学领导的国际研究小组开辟了一条量子计算的新道路,有望在不久的将来实现经典计算机无法完成的复杂运算。

  英国布里斯托尔大学量子光学中心的科学家们成功地制备出一种可用于量子计算的光子(硅)芯片,从而为实现量子计算机和量子模拟打下了坚实的基础。

  

  (研究物理学家Jonathan Matthews(左)和Kostas Poulios在定位量子计算的光子芯片。光子是以光学纤维注入芯片的,所以需要精确的定位。)

  量子计算机是一种全新的基于量子理论的计算机。不同于处理比特的经典计算机,量子计算机处理的是量子比特。相比于只能处在0 或1 中某一状态的经典比特,量子比特可以同时处在多个状态上,从而可以存储和处理更多的信息。而这种光子芯片的制备为量子计算机的实现开辟了一条全新的道路。

  “过去科学界普遍认为,25 年内量子计算都无法实用化”,量子光学中心主任Jeremy O‘Brien 教授说到,“然而我们相信,利用这项新技术,超越经典计算机的量子计算机10 年之内就可能出现。”

  利用这项在布里斯托尔发展出来的技术,研究者们让两个完全相同的光粒子(光子)通过一个光子芯片——刻录在硅片上的光学网络,从而实现了一个被称为量子游走(Quantum Walk)的物理过程。此前,已有研究组实现了单粒子的量子游走,而两粒子的量子游走则是首次被观测到。

  “通过操纵两光子系统,计算能力将得到指数性的提高”,O’Brien 教授说到,“这项技术开辟了量子信息科学的一个新领域,为实现量子计算铺平了道路,而量子计算的实现将帮助我们理解最为复杂的科学问题。”

  该研究组计划近期内即将此技术应用于开发新的模拟工具。长期来看,这种基于多光子量子游走的量子计算机可用来模拟诸如超导、光合作用等由量子力学规律主导的复杂现象。

  “我们的技术不仅能帮助人们更好地理解这些重要的物理现象,还有助于高效太阳能电池的制备等实际的应用。”可能的应用还包括超高速搜索引擎的实现,高端材料的研制以及新药的研发等。

  从单光子到双光子并不是简单的跨越,要实现光子间的这种相互作用,必须保证这两个光子在所有方面完全相同。不同于单光子量子游走可以用经典波动理论解释,双光子量子游走无法用任何经典的理论来解释,完全是一种量子现象。

  

  (两光子的量子游走图像呈现。这独特的行为刺激量子游走在更为复杂的空间。点的大小,颜色和强度相应于每个位置上出现两个光子的可能性。两方面的概率增加是一量子行为的标志。)

  “目前我们实现和观测到了两光子的量子游走。接下来,我们可以在这种光子芯片上实现三光子甚至多光子的量子游走。需要指出的是,这种推广不是简单的光子数目的增长”,O‘Brien 教授说到,“每添加一个光子,可解决的问题的复杂度是成指数增加的。比方说,单光子的量子游有10 种可能的结果,那么两光子的量子游走将会有100 种结果,三光子量子游走的结果将有1000 种!”

  接下来,这个由英国布里斯托尔大学领导,包括日本东北大学、以色列魏茨曼科学研究所、荷兰屯特大学在内的国际研究小组将利用光子芯片来进行量子力学模拟,并准备通过增加光子数和增大芯片尺寸等手段来完成更复杂的实验。

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