一项基于光的新突破有望助力量子计算机最终实现规模化扩展。斯坦福大学研究人员研制出微型光学腔体，能够高效收集单个原子发出的光，从而实现同时读取多个量子比特。该团队已成功展示包含数十个乃至数百个腔体的工作阵列。这项技术未来有望支撑起包含百万级量子比特的大规模量子网络。
由斯坦福大学物理学家领导的一个团队开发出了一种新型光学腔，它能高效捕获单个原子发出的单光子——光的基本粒子。这些原子作为量子计算机的核心组件，因为它们能存储量子比特，即传统计算中使用的0和1的量子对应物。这种方法首次实现了同时从所有量子比特收集信息。
光学腔实现更快的量子比特读取
在发表于《自然》杂志的研究中，该团队描述了一个由40个光学腔组成的系统，每个腔室容纳一个单原子量子比特，以及一个包含500多个腔室的更大原型机。这些结果表明了一条构建未来可能包含多达百万个量子比特的量子计算网络的现实路径。
"如果我们想制造一台量子计算机，就需要能够非常快速地从量子比特中读出信息，"该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理与应用物理学副教授乔恩·西蒙说。"到目前为止，还没有一种实用的方法可以大规模实现这一点，因为原子本身发光的速度不够快，而且最重要的是，它们会向四面八方发光。一个光学腔可以有效地将发射出的光导向特定方向，现在我们找到了一种方法，可以为量子计算机中的每个原子配备其专属的独立光学腔。"
光学腔如何控制光
光学腔的工作原理是将光困在两个或多个反射面之间，使其来回反射。这种效果可以比作站在游乐场镜子迷宫中的镜子之间，反射的影像似乎无限延伸向远方。在科学应用中，这些腔体要小得多，利用激光束的多次往返通过来从原子中提取信息。
尽管光学腔已被研究数十年，但由于原子极其微小且几乎是透明的，它们很难与原子结合使用。让光与原子进行足够强的相互作用一直是一个持续的挑战。
采用微透镜的新设计
斯坦福大学的团队没有依赖多次反射，而是在每个腔内引入了微透镜，将光紧密聚焦到单个原子上。即使光反射次数更少，这种方法也被证明能更有效地从原子中提取量子信息。
"我们已经开发出一种新型腔体架构；它不再仅仅是两个镜子，"该研究的第一作者、斯坦福科学研究员亚当·肖说。"我们希望这能让我们构建出速度更快、分布式的量子计算机，它们能够以更高的数据速率相互通信。"
超越经典计算的二进制极限
传统计算机使用代表0或1的比特来处理信息。量子计算机则使用基于微小粒子量子态的量子比特进行操作。一个量子比特可以同时代表0、1或这两种状态，这使得量子系统在处理某些计算时远比经典机器高效。
"经典计算机必须逐个地筛选各种可能性，寻找正确答案，"西蒙说。"但量子计算机的作用类似于降噪耳机，它比较各种答案的组合，放大正确的答案，同时抑制错误的答案。"
迈向量子超级计算机的扩展之路
科学家估计，量子计算机需要数百万个量子比特才能超越当今最强大的超级计算机。西蒙认为，要达到这个水平，可能需要将许多量子计算机连接成大型网络。本研究中展示的基于光的并行接口为扩展到这些规模提供了高效基础。
研究人员在当前的研究中展示了一个可工作的40腔阵列，以及一个包含500多个腔室的概念验证系统。他们的下一个目标是扩展到数万个。展望未来，该团队设想建立量子数据中心，其中各个量子计算机通过基于腔体的网络接口连接起来，形成全尺寸的量子超级计算机。
更广泛的科学和技术影响
尽管仍然存在重大的工程障碍，但研究人员认为潜在的好处是巨大的。大规模量子计算机可能会带来材料设计和化学合成方面的突破，包括与药物发现相关的应用，以及密码破译方面的进展。
高效收集光的能力也对计算领域之外产生影响。腔阵列可以改进生物传感和显微技术，支持医学和生物学研究的进步。量子网络甚至可能通过增强光学望远镜的分辨率为天文学做出贡献，可能让科学家直接观测太阳系外围绕恒星运行的行星。
"随着我们对如何在单粒子水平上操纵光的理解加深，我认为这将改变我们观察世界的能力，"肖说。
西蒙也是琼·莱因哈特物理学与应用物理学教授。肖也是菲利克斯·布洛克研究员和乌尔巴内克-霍多罗研究员。
斯坦福大学的其他合著者包括琼·莱因哈特应用物理学教授大卫·舒斯特，以及博士生安娜·索珀、丹尼尔·沙德曼尼和达延·高。
其他合著者包括来自石溪大学、芝加哥大学、哈佛大学和蒙大拿州立大学的研究人员。
这项研究得到了美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、陆军研究办公室、赫兹基金会和美国国防部的支持。
蒙大拿州立大学的马特·贾菲和西蒙担任Atom Computing公司的顾问并持有该公司股票期权。沙德曼尼、贾菲、舒斯特和西蒙，以及石溪大学的艾什瓦尔亚·库马尔，拥有本工作中展示的谐振器几何结构的专利。