如何使“孤傲”的光子改變彼此的量子態(tài)？

　　北京時(shí)間8月14日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，所有早期量子計(jì)算研究都是利用光開展的。光易于操縱，只需幾面鏡子、幾塊晶體和光線探測器，就等于擁有了一臺(tái)晶體計(jì)算機(jī)。但在過去20年間，情況早已改變，幾乎所有重大進(jìn)展都是利用離子、超導(dǎo)電流環(huán)或晶體缺陷取得的。

　　這是一種合理的進(jìn)步。要進(jìn)行邏輯運(yùn)算，必須以一種量子態(tài)為基礎(chǔ)、對(duì)另一種量子態(tài)進(jìn)行修改。然而，一道光波從另一道光波旁飛過時(shí)，往往徑直而過，路徑?jīng)]有絲毫動(dòng)搖，更別提停下來“交流”了。兩個(gè)帶電離子則恰好相反，其中一個(gè)的量子態(tài)會(huì)對(duì)另一個(gè)造成強(qiáng)烈影響，因此邏輯運(yùn)算會(huì)簡單得多。

　　問題在于，能夠輕易改變的量子態(tài)也容易被環(huán)境破壞。相比之下，光的量子態(tài)就頑固得多。這已經(jīng)由兩地通過通過衛(wèi)星開展的量子密鑰分配得到了驗(yàn)證。

　　因此，光量子態(tài)仍對(duì)量子計(jì)算具有重要意義，不過它們大多被當(dāng)作各地之間的信息載體。在每個(gè)位置上，光的量子態(tài)會(huì)被轉(zhuǎn)化成其它狀態(tài)、從而展開運(yùn)算。不過，如今科學(xué)家研發(fā)出了一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，使光線之間可產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互影響。這樣一來，就不再需要上述轉(zhuǎn)化過程了。

　　互相無視的光子

　　那么，光子為何如此“孤芳自賞”呢?問題在于，它們必須通過某種介質(zhì)才能交流。當(dāng)光線穿過玻璃時(shí)，光場會(huì)使玻璃中的全部電子發(fā)生振動(dòng)，從而減慢光的傳播速度。光的減慢程度表現(xiàn)為材料的折射率。我們通常認(rèn)為，折射率與光的亮度無關(guān)。如果加強(qiáng)光照強(qiáng)度，電子會(huì)振動(dòng)得更加劇烈，但并不會(huì)改變光線穿過介質(zhì)的軌跡，也就是說，折射率沒有變化。

　　然而，如果光線亮度很高，電子振動(dòng)的幅度就會(huì)超出一般范圍。電子平時(shí)和原子綁定在一起，因此振動(dòng)幅度有一定限制。一旦光線亮度使電子振動(dòng)幅度急劇增加，光照強(qiáng)度就會(huì)改變介質(zhì)折射率。光線穿過介質(zhì)的路徑改變后，各種奇怪的現(xiàn)象便會(huì)隨之發(fā)生，如出現(xiàn)新的顏色、光線開始聚焦、或者光脈沖變得更加短暫密集。

　　如果將玻璃塞在兩面鏡子中間，這些奇特的效應(yīng)便會(huì)更加明顯?？茖W(xué)家讓一道黯淡的光線通過前鏡“滲漏”進(jìn)來，鏡子之間的距離決定了哪種顏色的光線能夠進(jìn)入中間的縫隙。特定顏色的光線會(huì)在鏡子間來回反射。隨著越來越多的光線通過空隙滲漏進(jìn)來，光線亮度逐漸累積加強(qiáng)。與此同時(shí)，光線還會(huì)透過第二面鏡子的空隙滲漏出去。

　　過了一會(huì)兒，進(jìn)來的光線與出去的光線數(shù)量相等，便達(dá)到了均衡狀態(tài)。此時(shí)看來，所有照射在第一面鏡子上的光線似乎都穿過了空隙，沒有一道被反射回去。從第二面鏡子漏出的光線亮度與射在第一面鏡子上的光線相當(dāng)，鏡子之間的光線更是極為明亮。鏡子的反射性越強(qiáng)，鏡子之間的光線就越亮。從效果上來看，兩面鏡子之間的空間就相當(dāng)于一個(gè)光線儲(chǔ)藏室。

　　如果光線足夠明亮，就會(huì)改變鏡子間介質(zhì)的折射率，從而改變可進(jìn)入兩面鏡子中間的光線顏色，因此永遠(yuǎn)達(dá)不到前面描述的均衡狀態(tài)。事實(shí)上，光線一開始雖然沒被第一面鏡子反射，但隨著鏡子間光線的亮度不斷增加，第一面鏡子忽然開始反射光線了。從效果上來看，等于光自己改變了光線的走向。

　　這正是光量子計(jì)算機(jī)的目的：由光線來改變光線狀態(tài)。

　　“亮度”是研究中的常見主題。要達(dá)到很高的亮度，就需要很多、很多的光子。但量子態(tài)是以單個(gè)光子的形式儲(chǔ)存的，亮度也就無從談起。正因?yàn)槿绱耍饬孔佑?jì)算機(jī)的研制一直停滯不前。

　　兩進(jìn)一出

　　為此，科學(xué)家展開了新一輪材料研究。他們希望能打造一種高度敏感的結(jié)構(gòu)，單個(gè)光子也能改變其性能。這可以用單個(gè)原子來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)宇宙中有一個(gè)固定不動(dòng)的原子，還有一把能發(fā)射單個(gè)光子的“噴槍”。這把槍百發(fā)百中，每個(gè)光子都能射中原子。此外，我們可以選擇光子的顏色，讓其滿足使原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的能量間隔。

　　單個(gè)光子擊中原子后，原子會(huì)將該光子吸收，過了一段時(shí)間后，再朝任意方向“吐”出一個(gè)相似的光子。但如果我們接連向原子發(fā)射兩個(gè)光子，原子就只會(huì)吸收第一個(gè)光子，第二個(gè)光子則會(huì)徑直穿過，相當(dāng)于一個(gè)光子掌控了另一個(gè)光子的必經(jīng)之路。和前文的例子相反，這里只需單個(gè)原子便可產(chǎn)生預(yù)定效果，正好滿足我們的需求。

　　但現(xiàn)實(shí)中的原子不會(huì)停在原處不動(dòng)，除非用其它原子將它圍困住。原子也不會(huì)隨意吸收任何顏色的光線，只吸收自然界為其選定的顏色。更糟糕的是，原子體積非常小，光子擊中原子并被吸收的概率自然也很小。宇宙令我們大失所望，我們需要尋找更適合的原子。

　　點(diǎn)狀原子

　　這里涉及到量子點(diǎn)的概念。量子點(diǎn)是一種微型球狀材料。這些小球的體積極小，如果向其中通入電流，每次只有一個(gè)電子能進(jìn)入球中。每個(gè)電子都會(huì)堵住下一個(gè)電子的入口，量子點(diǎn)中包含的單個(gè)“自由”電子的表現(xiàn)與原子中的電子無異。但和原子不同的是，不同能級(jí)之間的間隔由球體的大小決定。換句話說，量子點(diǎn)就像“大師定制”的原子。由于量子點(diǎn)比一般的原子大得多，因此更容易被光子擊中。

　　研究人員將量子點(diǎn)置于兩面鏡子中間。整套裝置十分迷你，鏡子用的是直徑幾微米的微型晶柱，兩面鏡子間僅間隔幾百納米。這還不是最特殊的，畢竟這樣的裝置隨處可見。

　　這項(xiàng)新研究的特殊之處主要有兩點(diǎn)。首先，研究人員采用一種特殊的制造技術(shù)，將量子點(diǎn)置于靠近間隔正中的位置。其次，由于每個(gè)量子點(diǎn)都有些許不同，他們?cè)谏厦姘惭b了電極，對(duì)量子點(diǎn)的能級(jí)進(jìn)行調(diào)整，使量子點(diǎn)吸收和發(fā)射的光線顏色與鏡子間空隙要求的顏色相符。

　　想象一下這樣的畫面：將一束光照在微型晶柱上，它的顏色剛好滿足鏡子間距的要求。這束光透過鏡子，在兩面鏡子間來回反射。突然，量子點(diǎn)吸收了某個(gè)光子，達(dá)到了激發(fā)態(tài)，改變了它的折射率。鏡子忽然開始反射光線。而用單個(gè)光子也能達(dá)到同樣的效果。

　　我們將一道平均含有不到一個(gè)光子的光脈沖照射在鏡子上。這平均不到一個(gè)光子透過鏡子、在當(dāng)中來回反射。一旦被吸收之后，鏡子便開始反射光線，下一個(gè)打在鏡子上的光子便只能原路返回。

　　單光子鏡子的優(yōu)勢(shì)

　　單光子鏡子有什么優(yōu)勢(shì)呢?它可以用來制造一連串單個(gè)光子?？梢赃@樣解釋：假如有一臺(tái)激光發(fā)射器，每隔幾納秒可產(chǎn)生一道光脈沖。我們逐漸降低它的強(qiáng)度，讓每道脈沖中平均僅含有一個(gè)光子。但這并不算單光子光源。如果能數(shù)一數(shù)每道脈沖中的光子數(shù)量，會(huì)發(fā)現(xiàn)有的脈沖中根本沒有光子，有的脈沖則含有兩個(gè)或更多光子，只有少數(shù)脈沖含有一個(gè)光子。光子不會(huì)與彼此交流，但它們喜歡結(jié)伴而行。

　　要想連續(xù)發(fā)射單個(gè)光子，也許還要進(jìn)一步降低光束強(qiáng)度，讓每10道脈沖中含有一個(gè)光子。但即使如此，還是會(huì)有少數(shù)脈沖中含有兩個(gè)以上的光子。

　　但假如讓平均每秒發(fā)射一個(gè)光子的光脈沖照射在上述設(shè)備上，反射回來的光脈沖的確與光子數(shù)量一一對(duì)應(yīng)。說得更精確些，原本含有兩個(gè)以下光子的光脈沖在反射之后便只剩下了一個(gè)光子，含有兩個(gè)以上光子的光脈沖在反射后則擁有不止一個(gè)光子。這是因?yàn)榱孔狱c(diǎn)最多只能吸收一個(gè)光子，因此要想從一道光脈沖中去除一個(gè)以上的光子十分困難。

　　但這還僅僅是開始而已。這還有助于光子門的研究，即讓一個(gè)光子改變另一個(gè)光子的狀態(tài)。雖然此次研究中未涉及這一點(diǎn)，但相信很快便會(huì)有科學(xué)家展開相關(guān)研究。

　　最令人激動(dòng)的是，此次研究中運(yùn)用的技術(shù)還可以用于光集成電路。我們可以將一道脈沖激光打在起點(diǎn)處，第一道設(shè)備先將其轉(zhuǎn)化成一連串的單個(gè)光子，再將它們送往光子門，調(diào)整為計(jì)算所需的量子態(tài)。接下來，這些光子會(huì)被送往不同的微型晶柱，改變彼此的狀態(tài)、進(jìn)而展開運(yùn)算。整套流程的運(yùn)行十分高效。

　　這項(xiàng)進(jìn)展令科學(xué)家激動(dòng)不已。實(shí)驗(yàn)裝置制作精良，不存在隨機(jī)缺陷。且研究人員使用的是壽命較長的光子，不那么轉(zhuǎn)瞬即逝。光子向來是傳遞量子信息的絕佳載體，今后或許還能用它們展開高效運(yùn)算。