量子计算机：一个光子统治一切

计算机技术的历史（我们现在简称为服务器或计算机）始于多个世纪前。 随着时间的推移和技术的发展，计算机得到了改善。 性能，速度和外观均得到改善。 任何计算机都基本实现自然科学的某些定律，例如物理和化学。 深入研究这些科学中的任何一项，研究人员正在寻找改进计算系统的新方法。 今天，我们将结识旨在实现在量子计算机中使用光子的研究。 走吧

理论基础

尽管听起来像科幻小说，但“量子计算机”一词已不再令人震惊。 但是，至少从文学的角度来看，它没有什么奇妙的。 量子计算机利用量子叠加和量子纠缠。 简而言之，当系统的量子态相互排斥时，量子叠加就是一种现象。 如果我们不是在谈论粒子，而是在谈论“更大”的事物，那么我们可以提到猫薛定ding。


至于量子纠缠，则两个或多个粒子的状态相互依赖。 也就是说，说到相同的光子，如果一个粒子自旋的变化导致它变为正的事实，则第二个粒子将自动变为负，反之亦然。 同时，通过测量第一个粒子的状态，我们立即使第二个粒子失去了量子纠缠的状态。

量子计算机不是用比特而是用量子比特来操作的，而量子比特与第一个量子比特的不同之处在于它们可以同时处于两种状态-0和1。这使您可以更快地处理信息。

使用光子，一切都变得容易一些。 如果我们夸张地说，光子是“光的粒子”。 一个更科学的定义是电磁辐射的基本粒子，能够传递电磁相互作用。

硬币的反面

光子是量子信息的出色载体，但是缺乏确定性的*光子与光子的关系，限制了它们在量子计算机和网络中的使用。

确定性系统*是这样一种系统，其中的过程以可以追踪因果序列的方式相互连接。 换句话说，这些系统是传入数据（例如任务）完全对应于传出数据（解决方案结果）的系统。

如果不是最近通过中性俘获原子在光物质相互作用领域中的发现，这项研究可能根本不会进行，这使得在单光子模式下使用光学非线性成为可能。

光学非线性*是通过偏振矢量对光波电场矢量的非线性响应来解释的。 可以使用激光观察到这一点，因为它们可以产生高强度的光束。

以二次谐波为例的光学非线性

由于该技术的实现需要非常大的尺寸和极其复杂的激光阱来配置，因此该技术与紧凑形式的设备的实现中的问题有关。 另外，中性原子以低带宽工作。

另一个已经被抛弃很长时间的选择是基于非线性量子电动力学的系统。 由于这样的系统仅以微波模式工作，因此将它们置于光学模式非常困难。

其他研究人员决定从字面意义上进行更深入的研究。 使用光子与纳米元素（在这种情况下为量子发射器）相互作用的纳米光子系统，是在紧凑型固态设备中实现单光子非线性的一种非常有吸引力的方法。 但是，目前，此类实验使用的发射器由两级原子系统表示，受带宽和延迟之间的折衷的限制，这使得单音开关的实现成为不可能。

综上，所有先前的研究都取得了一定的积极成果，不幸的是，这些成果与某些实施问题或系统相互作用有关。

学习基础

在同一项研究中，实现了通过将固态量子量子位和纳米光子谐振器配对来实现的单光子开关和晶体管。

实验的主要元素之一是自旋量子位，由带电量子点*中的单个电子组成。

量子点* （或“人工原子”）是半导体粒子。 由于其极小的尺寸，其光学和电子特性与较大颗粒的光学和电子特性非常不同。

图片编号1a

图1a显示了量子点能级的结构，该结构包括两个具有相反自旋的基本状态* ，形成了稳定的量子存储。 这些状态标记为： |↑⟩和|↓⟩ 。

基态* -在量子力学中，当能级和其他量不变化且能量最少时，它是稳态。

包含一对电子和一个具有相反自旋的空穴*的 激发态*也标记在图像上。 它们的指定如下： |↑↓，⇑⟩和|↑↓，⇓⟩ 。

激励* -表示系统从基态到能量更高的状态的过渡。

空穴*是准粒子，在半导体中是带正电荷的电荷，等于基本电荷。

图片＃1b

图像1b是通过扫描电子显微镜拍摄的制造的纳米光子谐振器的照片。 通过利用Vogt效应* ，通过沿器件平面施加磁场（5.5 T）获得自旋依赖性化合物。

Vogt效应* -电磁波在固体中传播时发生双折射。

通过测量交叉偏振反射率，还可以确定化合物的强度（ g ），纳米光子谐振器能量的衰减率（ k ）和退相干偶极跃迁（ y ）：

• g /2π = 10.7交流0.2 GHz
• k / 2π= 35.5交替0.6 GHz
• y/ 2π=3.5取决于0.3 GHz

此外， g> k / 4是确定设备已切换到强而稳定的通信模式的条件。


图片编号1s

图像1c （左上）以图形方式演示了单光子开关和晶体管的工作原理。 如我们所见，如果门脉冲不包含光子，则自旋将保持在“向下”位置。 如果存在一个光子，则自旋进入向上位置。 结果，自旋状态控制纳米光子谐振器的反射系数，从而改变反射信号的光子的偏振。

整个脉冲序列如图1c所示（底部）。 现在让我们更详细地介绍每个步骤。

• 在开始时，有一个量子点与其基态自旋态叠加。 使用公式（|↑⟩+ |↓⟩）/√2计算 。 这是通过施加用于光学自旋泵浦的初始化脉冲来实现的，该初始化脉冲将其置于“下降”状态。
• 接下来，施加光学旋转脉冲，产生自旋旋转π/ 2。
• 在一段时间（ τ ）中，系统自由开发。
  
  如果将此时间设置为整数+自旋行进周期的一半，则在没有快门光子的情况下，自旋将进入状态（|↑⟩-|↓⟩）/√2 ，并且第二个旋转脉冲会将自旋返回到“向下”状态。 如果栅极光子从谐振器反射，则它在向上和向下状态之间形成一个相对的π相移，这反映了沿Bloch球*的轴（ x ）的自旋。 因此，第二旋转脉冲将自旋转变为“向上”状态。
• 使用另一个旋转脉冲，与第一个相同。
• 在这两个脉冲之间引入门脉冲。

量子力学中的Bloch球* -被用作量子位空间的几何表示方式。

• 在该过程结束时，信号场从谐振器反射并经历极化旋转，极化旋转直接取决于自旋状态。

图片编号2a

上图在没有门脉冲的情况下以函数（τ）的形式显示了通过偏振器的信号场的透射率。

透射率对比度由以下公式确定： δ= T _up -T _down

其中T _up和T _down是自旋转变为状态``up''（ 向上 ）和``down''（ 向下 ）的瞬间信号场的传输系数，使用两个旋转脉冲，对应于振荡中透射率的最大值和最小值。

常数值为δ= 0.24±0.01。 由于不正确的自旋态F = 0.78±0.01和有限的协同作用= 2 g ² / ky = 1.96±0.19，因此它与理想的方法有很大的不同。


图片编号2b

曲线2b显示了使用63 ps脉冲时的情况，其中每个脉冲与谐振器相关联包含约0.21个光子。 为了确保一个光子调节透射率，测量了栅极和信号光子之间的两个光子重合。

绿点是由于检测到的反射栅极光子而引起的信号的测量透射率，它是（ τ ）的函数。

绿线是图表2a上显示的模型的数字对应关系。

曲线图2a和2b中 的垂直线（a）是在自由发展期间自旋绕布洛赫球体经历半整数转数时的状态指定。 在这种情况下，栅极光子会导致信号场的偏振开始旋转并重定向通过偏振器。

曲线图2a和2b中 的垂直线（b）是第二操作状态的显示，其中可以进行开关操作。 在该实施例中，当快门光子阻止信号场旋转时，观察到反向切换行为，从而降低了透射率。

在这两种情况下，门脉冲都会导致信号的透射率发生0.21±0.02的变化。 为了考虑到快门光子的理想状态，该指标应等于0.24，如图2a所示。 在实际实验的情况下，由于使用了衰减的 （带有阻尼振荡的）激光来产生选通脉冲（尽管不太可能会包含多个光子），指示器的性能更差。


图片编号2s

上图显示了当每个脉冲的信号光子平均值设置为4.4±0.5（上），10.9±1.2（中），23.0±2.5（下）时，透射率随延迟时间（ τ ）的变化。

绿点 -由于检测到快门光子而产生的透射率。

橙色方块 -不含快门脉冲的透射率。

绿线和橙线 -与图2a和2b的理论模型的数值对应。

在所有情况下，都可以清楚地观察到开关行为。

根据每张图，计算开关对比度（ ξ ）得出以下结果：0.22±0.03、0.17±0.02和0.12±0.02。

与切换对比度相关的主要问题是随着信号光子数量的增加而降低。 这是由于每个信号光子都可以通过光的拉曼散射来反转自旋（ 拉曼效应* ）。 这将重置内部量子存储器的状态。

拉曼效应*是粒子碰撞时光辐射的非弹性散射，这会导致其状态发生变化，形成新粒子，转变为其他粒子或诞生新粒子。

图片编号3

在曲线图3a中，蓝点表示没有门脉冲时测得的传输对比度，它是信号场中光子平均数量的函数。 这是没有快门的信号引起的自切换程度的指标。 蓝线表示形式为exp （-N _s / N _avg ）的指数函数数据的数值对应关系，其中N _avg是更改自旋位置所需的平均信号光子数。 计算表明， N _avg = 27.7±8.3。

晶体管的另一个重要特性是传输系数（ G ）。 图表2b （蓝点）显示了该指标的增长。 研究人员设法通过光子数N _s = 29.2±3.2实现G = 3.3±0.4。

报告中介绍了有关这项研究的更多详细信息以及计算方法，可供参考。 我强烈建议您熟悉一下。

结语

目前，根据这项研究，在实现成熟设备的过程中最大的障碍是光子的损失。 但是，科学家认为这个问题可以解决。 不是他，是其他科学家。 目前，有许多研究旨在优化基于光子的量子器件。

这些研究，包括今天进行的研究，积累了理论基础，并得到了实验的支持。 理论总是紧随实践之后。 但这只有在达到一定程度的知识才能完全实现一个想法时才有可能。

第一步已经采取。 是的，这些步骤很小，但是世界各地的许多科学家都朝着自己的方向采取这些步骤。 尽管它们的路径各不相同，但这一令人难以置信的复杂目标却是其中之一。

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