by CHRIS LEE - 9/6/2018, 12:29 AM 原文

在每个物理学家的生活中都会有这样一个时刻，他们会想一些不可思议的事情:我希望我是一名工程师。我猜想这是14位物理学家的想法，他们参与了光量子计算可扩展性的关键演示。

目前，如果你必须押注最有可能赢得量子计算竞赛的技术，大多数人会把他们的芯片放在超导环上。但我会把房子和孩子们都点亮。为什么?因为激光可以让一切变得更好。更严重的是，基于超导器件的量子计算架构在过去五到十年中取得了显著的进展。相比之下，在光方面的进展却慢得可怕。但是，如果我们能把光基量子位元发射到地面上，使用它们应该会更容易些。

为什么我喜欢光子

在我看来，光子仍然是最好的量子位元。这是因为光子大多不受阻碍地穿过世界。一个光子，在超特殊的量子态下，可以从空气到光纤再到空气，通过硅芯片，回到空气，再回到光纤，而不破坏它的量子态。你所需要做的就是确保你的光子探测器处于黑暗中，这样就只有量子位元的光子撞击它。

超导量子位是由电子组成的，电子对一切都很敏感。确保超导量子位元保持其量子态需要真正的实验技术和良好的工程技术。

你应该想知道，如果光这么好，光量子计算机为什么会落后这么远。原因完全一样:光子不会互相注意，但电子会。假设你想根据另一个量子位的状态来改变一个量子位的状态。对于电子来说，这很简单，因为它们有一个电场和磁场，它们可以通过这个电场和磁场相互作用。然而，光子只是直接穿过彼此而不被注意到。实现量子运算的简单方法实际上是非常，非常困难的使用光子。

相反，你必须使用线性算子的多个组合。有什么区别吗?这样说:在一个非线性操作中，两个光子可能碰撞产生一个光子，或者一个光子分裂产生两个光子。但是，在线性操作中，光子的数量被保留，只有它们的路径被修改。

要执行一个双量子位运算，你至少需要一个门和三个量子位——两个正在被操作，一个控制操作。仅使用线性运算(如对光子所要求的)执行相同的操作需要四个量子位和四个门。复杂性增长得非常快。

这就是从物理学到工程学转变的需要所在。实现单个门是复杂的，但也是可行的。但是，如果实现所有可能的门，比如两个量子位呢?这就需要设计一个定制的集成光学芯片。这就是工程师的用武之地。

研究人员制造的芯片相当了不起。它接收一个激光光源，然后从那里产生光子量子位对。量子位元然后通过一个由干涉仪组成的迷宫组成的单一栅极(用于构建栅极的线性操作)。每个波导都有一个小的加热元件，可以让研究人员控制光子在每个干涉仪之间和内部的精确距离。这个控制决定光子通过迷宫的路径。或者更具体地说，控制，结合光子的量子态，决定了通过迷宫的路径。

研究人员通过在同一硬件上实现98个不同的双量子比特门来证明这一点。同时，他们还进行了一整套测量(每扇门大约有1000次测量)。这些门和你在量子计算世界中发现的其他门一样可靠，也就是说，操作成功完成的概率是93%。相比之下，基于离子的量子计算机在95%到99%之间，超导量子计算机在90%到95%之间。

为了证明这种芯片的功能不仅仅是单一的操作，研究人员展示了你可以在它上面运行一个优化算法。

低廉的天堂

这还只是两个量子位，与超导量子计算机相比根本不值一提，超导量子计算机现在的量子位范围是20个量子位。那么，我为什么兴奋呢?关键是这篇论文表明许多大问题已经被克服了。研究人员证明，你可以设计、制造和控制一个芯片，其精度达到可编程量子计算的要求。没有什么能阻止栅极的设计被扩展到更复杂的电路中去运行更大的程序(如果芯片有足够的量子位元并且它们可以被探测到的话)。

这其中存在一些潜在的障碍。光子探测器不在芯片上。相反，光线通过管道传输到外部探测器。对于两个量子位(只是两个外部探测器)，这是可行的。对于100个量子位，这可能行不通。也许两个芯片——一个用于计算，一个用于探测——将不得不粘在一起。

同样地，光源也会很困难。研究人员制造纠缠光子的过程是一个随机的过程。每个激光脉冲可能产生或不产生纠缠光子。在这个只有两个计算量子位元的晶片里，有四个独立的位置产生光子。要进行计算，两个位置必须独立地产生一对光子。这个过程需要大约四分之一的激光脉冲。

为了增加纠缠光子的数量，你需要在多个位置同时产生它们。这种情况发生的可能性不大;一台100量子位的计算机永远都不可能工作。我应该说，还有许多其他方法可以产生所需的光子。其中很多是决定性的:你按下一个按钮，就会得到一个光子。但是，最大的问题是它们能否集成到这里开发的芯片技术中。

无论如何，我对计算方面的发展感到非常兴奋。并对未来产生所需光子和检测计算结果的道路保持警惕。