量子计算机是一种利用量子态来执行计算和存储数据的机器，人们预计它很快就会彻底改变计算行业，能实现比现有计算机更高的速度和性能。虽然全球已有很多公司——包括谷歌、IBM以及较小的初创企业——已经开始研究量子技术，但我们对其能进行大规模生产的确切架构仍不清楚。

德国莱布尼茨大学汉诺威分校的研究人员最近进行了一项理论研究，他们的研究为量子计算机实现飞行量子比特提供了可能性，这种量子计算机对光子波的形状不敏感，并且会在处理过程中完全保留这些形状。他们的论文发表在最近的《物理评论快报》上，这一理论可以作为开发新型量子门的基础。

进行这项研究的研究人员之一Ihar Babushkin说：“现在有几种用于发展量子技术的候选架构，包括超导体、离子阱、固态和光学平台等。无论我们考虑什么架构，光子都将发挥重要作用，因为在几乎所有架构中，量子信息比特之间的中介都是光子。”

光量子计算机的情况则是特殊的，因为光子不仅能介导量子比特之间的相互作用，它们本身也是一种量子比特。由于光子不受退相干的影响，因此它们是安全携带量子信息的理想选择。这里的退相干是指环境与量子比特相互作用并改变了其量子态的过程，退相干会导致量子比特存储的信息丢失。

Babushkin解释说：“对于光子来说退相干不是问题，因为光子不与光子相互作用，也几乎不与物质相互作用。然而，一旦我们想要操纵光子，这就会成为一个问题：由于缺乏相互作用会使操纵光子变得困难，因此难以进行量子计算。尽管如此，世界各地的团队仍在继续朝这个方向进行研究，因为光子信息处理非常有吸引力，如果可以实现的话，它可以在室温下进行量子计算。”

一种用于光子信息处理的现有方法是“基于测量的计算”。这种方法是需要用到线性元件，例如分束器和光子的辅助测量器；另一种方法是被称为相干光子转换(CPC)的技术。这是一种使用强大激光束来放大非线性光学相互作用的技术，通过该过程会在光子间混合成四种波形。

尽管它们存在差异，但这两种不同的方法具有共同的局限性。具体来说，到目前为止在技术上它们都需要输入完成“相同”的光子(即在时间和空间上无法区分且彼此不相关)。

Babushkin说：“这个要求是必要的，否则光子会变得可区分，这会打破它们的量子干涉。这是一个严重的限制，因为它要求所有光子都由完全独立但相同的光子源产生。而产生许多相同的光子不是一件容易的事。”

在他们的论文中，Babushkin和他的同事表明，这种限制可以使用CPC的一种变体方法来突破。更具体地说，他们从理论上证明了CPC可用于实现飞行量子比特门，该门对于相关的、不相同的、可区分的光子同样都适用，并能在运行时保持光子的时空特性。为此，他们使用了来之麦格理大学和帝国理工学院的一个研究团队提出的CPC变体方法。

Babushkin说：“在这种方法中，相互作用的光子和强激光泵都以不同的速度传播并在某个点相遇。我们的研究表明，在这种情况下，光子的相互作用会以尖锐的相互作用front的形式出现，它的时间可以小到数百阿秒和几纳米的空间。这个front的大小是由原子对光激发反应的最大速度所决定的。”

Babushkin和他的同事表明，使用他们的方法只要相互作用光子的波形(即脉冲形状)远大于阿秒级(这对光频率来说总是如此)，光子波形的独立部分就会被独立的处理。能得到的结果是，系统中光子的波形保持不变。

Babushkin说：“我们认为我们的主要成就是证明了有可能创造出一种与波形无关，但与波形兼容的门。这种可能性并不明显，人们之前还认为这样的门是不可能的。”

未来，这组研究人员提出的假设可以在实验室进行实验验证，以确认他们的理论预测是否正确。如果该理论是正常的，他们的工作可以为开发性能更好的光子信息处理系统铺平道路。

Babushkin补充道：“作为我们研究的下一步，我们将尝试通过实验来检验我们引入的理论概念。如果我们成功了，我们将把我们的单门结果扩展到整个框架，在这个框架中，所有计算都是以波形容忍的方式进行的。在更遥远的未来，这或可以更容易地实现纯光子量子计算机。”（编译:Qtech）