圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的一项研究找到了光量子计算中缺失的一块难题。该大学电气与系统工程系副教授Jung-Tsung Shen利用一种新形式的光开发了一种确定的、高保真的两量子比特逻辑门。

这种新的逻辑门要比目前的技术在效率上高几个数量级。Shen教授表示，在理想情况下，这种门的保真度可以高达97%。他的这一研究发表在5月份的《物理评论A》杂志上。

量子计算机的潜力与量子不寻常的叠加态和纠缠态特性有关。量子叠加是量子系统能够同时包含许多不同的特性或状态；而量子纠缠是尽管粒子在物理上彼此相隔很远的距离，但也显示出非局域性的超距作用。 

在经典计算机中，电压的高低决定一个比特的值（1或0）。研究人员试图将电子作为量子比特，这是经典比特的量子等价物。电子有几个特性使它非常适合此任务，它们很容易被电场或磁场操纵，并且能彼此相互作用。当需要纠缠两个量子比特时，这种相互作用是很有用的。但它们这种相互作用倾向也是一个问题。从磁场到电源线，所有事情都会影响到电子，使它们难以被真正控制。

在过去的二十年里，一些科学家一直试图将光子用作量子比特而不是电子。Shen说：“如果计算机将要产生真正的影响，我们需要考虑使用光来创造平台。”

由于光子不带电荷，这会导致相反的问题：它们不像电子那样会与环境发生相互作用，但它们彼此之间一般也不相互作用。设计和创造临时(有效的)光子间相互作用也非常具有挑战性。

在不到十年前，研究这个问题的科学家们发现，即使它们在进入一个逻辑门时没有纠缠，但当它们离开后再测量两个光子的行为，它们表现得好像已经纠缠在一起了。测量会改变其特征是量子力学的另一种疯狂现象。

这一测量发现是开创性的，但并没有完全改变游戏规则。这是因为，每100万个光子中只有一对光子会发生纠缠。即使研究人员后来取得了更大的成功。但是Shen说：“对于一台每秒需要执行数百万到数十亿次操作的计算机来说，它仍然不够好。”

由于发现了一种新的量子光子态——光子二聚体（即在空间和频率上都纠缠的光子），Shen利用它构建了一种高效地二进制量子逻辑门。他对光存在这种状态的预测在2013年得到了实验证明，从那以后，他一直在寻找这种新形式的光的应用。

当单光子进入逻辑门时，不会发生任何值得注意的事情，它只是进进出出。但当有两个光子时，Shen说：“那会出现我们预测的结果，这两个光子可以形成一个新的状态，光子二聚体。事实证明，这种新状态是至关重要的。”

从数学上讲，有许多方法可以设计二进制运算的逻辑门。这些不同的设计被称为等效设计。Shen和他的研究小组设计的新逻辑门是相位控制门(或控制z门)。

相位控制门的主要功能是，两个出来的光子处于两个进来光子的负状态。Shen说：“在经典电路中没有负状态。但在量子计算中，事实证明负状态是存在的，并且至关重要。”

当两个独立的光子（代表两个光量子比特）进入逻辑门时，Shen教授说：“我们设计的逻辑门是能让这两个光子可以形成光子二聚体……事实证明，新的量子光子态是至关重要的，因为它使输出态具有正确的符号，这对光学逻辑操作至关重要。”

Shen教授一直在与密歇根大学合作测试他的设计，这是一个固态逻辑门，可以在中等规模条件下运行。他表示到目前为止，结果似乎都是积极的。他说，这个结果虽然让大多数人感到困惑，但对那些专业人士来说却一清二楚。他说道：“这就像一个谜题，做起来可能很复杂，但一旦完成了，只需看一眼就知道是正确的。”（编译:Julien）