今天的量子计算机构建起来非常复杂，以至于难以扩大规模，并且需要比星际空间还更冷的温度才能运行。这些挑战促使一些研究人员转身去探索使用光子(光粒子)构建量子计算机的可能性。光子可以轻松地将信息从一个地方传送到另一个地方，且光量子计算机可以在室温下运行，因此这种方法很有前景。然而，尽管人们已经成功地为光子创建了单独的量子“逻辑门”，但构建大量的门并以可靠的方式将它们连接起来以执行复杂的计算仍然具有挑战性。

现在，根据11月29日发表在《Optica》上的一篇论文，斯坦福大学的研究人员提出了一种使用现成组件来更简单的设计光子量子计算机。他们提出的设计是使用激光来操纵单个原子，而该原子又可以通过一种被称为“量子隐形传态”的现象来改变光子的状态。原子可以被重置并重新用在许多量子门中，无需构建多个不同的物理门，这大大降低了构建量子计算机的复杂性。

该论文的第一作者、应用物理学博士生Ben Bartlett说：“通常情况下，如果你想建造这种类型的量子计算机，你必须采用潜在的数千个量子发射器，并让它们完全没有区别，然后将它们集成到一个巨大的光子电路中。而采用我们的这种设计，只需要一些相对简单的组件，并且机器的大小不会随着你要运行的量子程序的大小而增加。”

这种非常简单的设计只需要几件设备：一根光缆、一个分束器、一对光开关和一个光腔。幸运的是这些组件早已经存在，甚至可以在市场上买到。它们也在不断改进，因为它们目前被用在量子计算以外的应用中。例如，电信公司多年来一直致力于改进光纤电缆和光开关。

斯坦福大学工程学院教授、该论文的资深作者Shanhui Fan说：“我们在这里提出的建议是建立在人们为改进现有这些组件所做的努力和投资的基础上。它们不是专门用于量子计算的新组件。”

科学家的设计由两个主要部分组成：存储环和散射单元。存储环的功能类似于普通计算机中的内存，它是一个光纤环路，可容纳多个围绕该环行进的光子。它类似于经典计算机中存储信息的比特，在这个系统中，每个光子代表一个量子比特(或称量子位)。光子绕存储环行进的方向决定了量子比特的值，就像比特一样，可以是0或1，此外由于光子可以同时以两种状态存在，因此单个光子可以同时在两个方向上流动，表示同时为0和1组合的值。

研究人员可以通过将光子从存储环引导到散射单元中来操纵光子，在那里它会传播到一个包含单个原子的腔。然后光子与原子发生相互作用，导致两者产生“纠缠”，这是一种量子现象，即使在很远的距离内，两个粒子也可以相互影响。然后，光子返回到存储环，再用激光改变原子的状态，因为原子和光子是纠缠在一起的，操纵原子也会影响其配对光子的状态。

Bartlett说：“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上。所以我们只需要一个可控的原子量子比特，我们可以用它作为代理来间接操纵所有其他光子量子比特。”

因为任何量子逻辑门都可以编译成对原子执行的一系列操作，所以原则上你可以只使用一个可控的原子量子比特来运行任何大小的量子程序。为了运行程序，代码会被翻译成一系列操作，将光子引导到散射单元并操纵原子量子比特。因为你可以控制原子和光子相互作用的方式，所以同一个设备可以运行许多不同的量子程序。

Bartlett说：“对于许多光量子计算机来说，门是光子穿过的物理结构，所以如果你想改变正在运行的程序，它通常涉及物理上重新配置硬件。而在我们的这种情况下，你不需要改变硬件配置，你只需要给机器一组不同的指令。”（编译:Qtech）