經過多年的緩慢進展，研究人員可能最終會看到一條構建強大量子計算機的清晰道路。這些機器預計將顯著減少某些計算所需的時間。它將傳統計算機需要數千年才能解決的問題變成只需幾個小時即可完成的任務。
斯坦福大學物理學家領導的團隊開發了一種新型光學腔，可以有效捕獲單個光子（由單個原子發射的光的基本粒子）。這些原子是量子計算機的構建塊。因為它們存儲量子位，它們是經典計算中使用的零和量子位的量子等價物。這種方法第一次使得同時從所有量子位收集信息成為可能。
光學窗口可以更快地讀取量子位數據。
在發表於的研究中 自然該團隊描述了一個由 40 個光通道組成的系統，每個通道包含一個原子量子位。除了具有 500 多個通道的更大原型之外，結果指出了構建量子計算機網絡的一條現實路徑，該網絡有一天可能擁有多達 100 萬個量子位。
“如果我們想建造一台量子計算機，我們需要能夠快速從量子比特中讀取信息，”該研究的資深作者、斯坦福大學人文與科學學院物理學和應用物理學副教授喬恩·西蒙（Jon Simon）說。 “到目前為止，還沒有一種實用的方法可以大規模地做到這一點。這是因為原子發射光的速度不夠快。不僅如此，它們還向各個方向發射光。光學通道可以有效地將發射的光引導到某個方向，現在我們已經找到了一種方法，可以將量子計算機中的每個原子排列在其自己的專用通道內。”
蛀牙如何控制光線？
天窗的工作原理是將光線捕獲在兩個或多個反射表面之間。引起來回反射 這種效果類似於站在遊樂屋的鏡子之間。倒影似乎無限延伸。在科學環境中，這些空腔要小得多。並使用激光束反复穿過它以從原子中提取信息
儘管光學腔已經研究了幾十年，但很難與原子一起使用，因為原子非常小並且幾乎是透明的。讓光與它們足夠強地相互作用是一個持續的挑戰。
使用微透鏡的新設計
斯坦福大學團隊沒有依賴重複反射，而是在每個通道上應用微透鏡，將光緊密聚焦到單個原子上。雖然眩光會少一些。但這種方法也被證明可以更有效地從原子中提取量子信息。
“我們開發了一種新型空腔結構。它不再只是兩塊玻璃，”斯坦福大學研究員、該研究的第一作者 Adam Shaw 說。 “我們希望這將使我們能夠構建更快的分佈式量子計算機。它們可以以更快的數據速率相互通信。”
超越經典計算機的二進制限制。
典型的計算機使用代表零或一的位來處理信息。量子計算機使用量子位進行工作。這取決於小粒子的量子態。量子位可以同時表現出零、一種或兩種狀態。這使得量子系統能夠比經典機器更有效地處理某些計算。
“經典計算機必須一次探索一種可能性，才能找到正確的答案，”西蒙說。 “但量子計算機的作用就像降噪耳機一樣，通過放大正確答案同時消除錯誤答案來比較答案組合。”
向量子超級計算機擴展
科學家估計，量子計算機將需要數百萬個量子比特才能超越當今最強大的超級計算機。西蒙表示，要達到這一水平可能需要將許多量子計算機連接到大型網絡。本研究中演示的並行光學接口為擴大到這些尺寸提供了強大的基礎。
研究人員在當前的研究中展示了一個功能性的 40 通道陣列。除了擁有 500 多個頻道的概念驗證系統外，下一個目標是將其擴展到數万人。展望未來 該團隊設想了一個量子數據中心，其中各個量子計算機通過空腔網絡接口連接。建造全尺寸量子超級計算機
廣泛的科技影響
仍然存在重大的工程障礙。但研究人員認為潛在的好處是巨大的。大規模量子計算機可能會帶來材料設計和化學合成的進步。包括與藥物發現相關的應用以及密碼破解方面的進展
有效收集光的能力除了處理之外還具有重要意義。腔陣列可以改善生物檢測和顯微鏡檢查。支持醫學和生物研究的進步量子網絡還可以通過使用分辨率更高的光學望遠鏡為天文學做出貢獻。這可以讓科學家直接觀察太陽系外繞恆星運行的行星。
“隨著我們更多地了解如何在單粒子水平上操縱光，我認為這將改變我們觀察世界的能力，”肖說。
西蒙還是瓊·萊因哈特物理學和應用物理學教授。 Shaw 也是 Felix Bloch 研究員和 Urbanek-Chodorow 研究員。
斯坦福大學的其他合著者包括大衛·舒斯特（David Schuster）、瓊·萊因哈特（Joan Reinhart）應用物理學教授，以及博士生安娜·索珀（Anna Soper）、丹尼爾·沙德馬尼（Danial Shadmany）和多妍·高（Da-Yeon Koh）。
其他合著者包括來自石溪大學、芝加哥大學、哈佛大學和蒙大拿州立大學的研究人員。
這項研究得到了國家科學基金會的支持。空軍科學研究辦公室陸軍研究辦公室赫茲基金會和美國國防部
蒙大拿州立大學的馬特·賈菲（Matt Jaffe）和西蒙（Simon）擔任顧問並持有 AtomComputing 的股票期權。 Shadmany、Jaffe、Schuster 和 Simon 以及石溪分校的 Aishwarya Kumar 持有本作品中所示的反射器幾何形狀的專利。
