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光量子计算的优势与挑战

相干时间长、单光子操控容易且精度高等,是光量子计算的重要优势。量子相干性指标,可以度量量子系统处于量子叠加状态的能力。要完成量子计算任务,量子计算的物理系统必须能够在相干性尚未丢失的情况下,完成计算任务所需的全部操控。环境与系统的相互作用是导致系统失去相干性(退相干)的根本原因。光子不易与环境发生相互作用,操控光子仅需让其通过相应光学元件,且光子以光速进行传播,使得光子具有相对于量子操控而言足够长的相干时间。同时,单光子的操控与宏观光的操控基本一致,容易实现且精度高。比如,用半波片和四分之一波片的组合,就能够完成单光子的任意偏振变换。

光量子计算的优势与挑战

光量子计算的最大挑战是多个光子的相干操控、实现量子纠缠等。“光子与环境不容易发生相互作用”是一把双刃剑,在让光量子比特异常稳定的同时,两个光子之间也不能直接发生相互作用。人们曾度认为,只能借助光学非线性效应等实现两个光子的间接相互作用,而这种效应在现有技术水平下常弱。在一筹莫展之时,科尼尔(Knil)、拉夫勒蒙(Laflamme)和米尔本(Milburn)三位科学家于2001年提出一种不需要非线性效应的解决方案,该方案通过一个“后选择”机制解决了两个光子的相互作用问题。这里用一个比喻说明后选择机制的原理。两个光子的相互作用(例如产生量子纠缠)可以比作把两个绳子缠在一起。后选择机制正式通过测量投影在“运算后的子空间选择出运算结果”。量子力学中,测量叠加的量子态会以概率的方式得到结果,因此这种后选择方法成功与否也是概率性的(但会明确知道是否成功)。如果有很多连续的操控,级联后的成功概率会变得很低幸运的是,已经有一些方法用来提升成功的概率。

解决光量子计算难题的另一种方法是簇态量子计算方案。簇态方案中,初始时制备高度纠缠的多量子比特(簇态)—与所要执行的算法无关;随后每一步都对单个比特进行测量,每次测量的方式取决于算法和前面的测量结果。如果用刚才的绳子作比喻,簇态方法中事先让所有的绳子按照统标准的方式缠在一起,在随后的运算过程中不断执行“解绳子”操作,这样就避免了运算过程中的“缠绳子”操作。初始的“缠绳子”用现有方法实现大多也是有概率的,但可以在运算开始前“离线”准备好,因为这对于所有算法来说都是标准的。