人们预计未来的量子计算机不仅可以解决特别棘手的计算任务，还可以连接到网络上以进行安全的数据交换。原则上，量子门可以用于这些目的。但直到现在，我们还无法以足够高的效率来实现它们。通过使用多种技术的复杂组合，马克斯普朗克量子光学研究所(MPQ)的研究人员现在朝着克服这一障碍迈出了重要的一步。

几十年来，随着每一代新计算设备的出现，计算机已变得越来越快、越来越强大，这种发展使得能不断开辟新应用成为了可能。但是，经典计算机技术已经趋于成熟，利用它来实现进一步的突破已变得越来越困难。出于这个原因，研究人员现在已将目光投向了替代性的、全新的技术概念上，这些概念可以在未来用于解决一些特别困难的计算任务。这些概念其中就包括了量子计算机。

量子计算机的功能不像传统的微电子计算机那样基于数字0和1(经典比特)的组合。量子计算机使用的是量子比特，并以它作为编码和处理信息的基本单位。它们是经典比特在量子世界中的对应物，但在一个关键特征上它们是不同的：量子比特不仅可以为两个状态的其中一种(例如0或1)，还可以处于两种状态的任意叠加态。原则上，这提供了能同时执行多个计算过程而不是一个接一个地处理一个逻辑操作的可能性。

在MPQ从事量子计算机基础研究的Thomas Stolz说：“有多种方法可以物理实现量子比特的概念，其中一种是利用光子。光子在量子计算机中作为信息载体的一个优势是它们彼此间以及与环境间的相互作用低。这可以防止量子比特所必需有的相干性被外部干扰迅速破坏。”此外，光子可以在光纤中进行长距离传输。这使它们成为了构建量子网络的特别有希望的候选者。将多台量子计算机连接在一起，可以无条件安全地传输加密数据，并能可靠地防止黑客的窃听。

量子计算机和量子网络的基本组件是量子门。它们的操作模式就像传统计算机中的逻辑门，但针对量子比特的特殊属性进行了定制。在MPQ领导该小组的Stephan Dürr博士解释说：“在俘获离子或超导材料中实现量子比特的量子门是目前最先进的技术。然而，用光子实现这样的量子门更具挑战性。”因为在这种情况下，弱交互的优势变成了明显的劣势。因为，为了能够处理信息，光子必须能够相互影响。MPQ的研究人员在一篇论文中展示了如何有效地实现这一点，该论文现已发表在开放获取期刊《Physical Review X》上。

以前将两个光子相互连接成量子门的尝试只取得了部分成功。它们的主要问题是效率低，效率最多只有11%。这意味着大部分光子以及数据在量子系统中处理时会丢失掉。这是一个很大的缺点，尤其是当在量子网络中连续连接多个量子门并且损失加起来后结果会变得更坏。Stephan Dürr博士说：“相比之下，我们首次成功的实现了平均效率超过40%的光学双量子比特门。”

取得这一成功的基础是利用了非线性组件，它们包含在MPQ团队专门为实验开发并安装在其实验室的新型实验平台中。在此研究过程中，研究人员能够利用他们先前在2016年和2019年发表的工作成果。他们其中的一个发现是，使用一种冷的原子气体对光子信息处理是很有用的，在这种气体中，一些原子被高能量地激发。

Stolz解释说：“原子介导了光子之间必要的相互作用。然而，之前的工作也表明，原子的密度不能太高，否则编码的信息会被原子间的碰撞迅速抹去。”所以，研究人员现在使用了一种低密度的原子气体，他们将其冷却到0.5微开尔文的温度。Stolz补充道：“我们将超冷原子放置在光学谐振器的镜子之间，以作为光子间相互作用的附加放大器。”

这导致了该实验的成功，其中量子门分两个步骤来处理光学量子比特：第一个光子称之为“控制光子”，它被引入到谐振器并存储在那里。然后，被称为“目标光子”的第二个光子，进入装置并从谐振镜反射。当相互作用发生的时刻，两个光子连同印在它们上面的信息一起离开了量子门。为了使它起作用，物理学家还使用了另一个技巧：这些冷原子气体的电子被激发到非常高的被称为“里德堡态”的能级上。

Stolz表示，这导致激发后的原子在经典画面中显示出被极大地膨胀。它的半径可达一微米，这是原子正常尺寸的数千倍。在谐振器中以这种方式膨胀的原子使得光子可以对彼此产生足够强的影响。然而，这最初仅导致了相移。此外，光线被分成了不同的路径，这些路径后面会叠加在一起。只有在这种叠加过程中，量子力学干涉才能将相移转化为量子门。

他们在实验之前进行了详尽的理论分析。MPQ团队专门开发了一个综合理论模型来优化新研究平台的设计过程。进一步的理论研究显示了研究人员希望在未来提高其光量子门效率的方法。他们还想了解如何通过同时处理大量量子比特来将量子门扩展到更大的系统。该小组主任Gerhard Rempe教授说：“到目前为止，我们的实验已经表明它在原则上是可行的。我们的新发现将对开发基于光的量子计算机和量子网络大有裨益。”（编译:Qtech）