光学双量子比特门效率创世界纪录
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光学量子比特独特地结合了光纤中的信息传输和良好的处理能力，因此是有吸引力的量子技术工具。然而，一个巨大的挑战是如何克服双量子比特逻辑门的低效率。
光学CNOT门的实验效率在2003年达到大约11%，此后没有增加。现在，通过结合两个已建立的量子非线性系统：原子腔系统和里德堡电磁感应透明，马克斯-普朗克量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics，MPQ）的研究人员展示了两个光子之间的CNOT门，在后选择处理保真度为81(2)%时，平均效率为41.7(5)%；同时将该方案扩展到具有多个目标量子比特的CNOT门，并产生了多达五个光子的纠缠态。
论文作者之一Stephan Dürr报告说：“我们首次成功地实现了平均效率超过40%的光学双量子比特门，这几乎是以前记录的4倍[1]。”
简言之，研究人员创造了光学双量子比特门效率的新世界纪录。
真空腔的照片。通过图片中央的真空室窗口，可以看到共振器的镜子支架。在镜面之间，超冷原子产生了光子之间的相互作用。来源：马克斯-普朗克学会（Max Planck Society）
这一成就有可能推动光量子信息处理，其中几乎所有的先进协议都将从高效率的逻辑门中获益。
几十年来，每一代计算机都在变得更快、更强大。这种发展使得不断开辟新的应用成为可能；但是进一步的进展在既定的计算机技术中变得越来越难实现。因此，研究人员现在把目光投向了替代的、全新的概念，这些概念在未来可用于一些特别困难的计算任务——包括量子计算机。
它们的功能不是基于数字0和1的组合，即传统的微电子计算机的经典比特那样。相反，量子计算机使用量子比特，作为编码和处理信息的基本单位。它们是量子世界中比特的对应物，但在一个关键特征上与之不同：量子比特不仅可以承担两个固定的值或状态，如0或1，还可以承担两者之间的任何值。原则上，这提供了同时进行许多计算过程的可能性，而不是一个接一个地处理逻辑操作。
论文的第一作者、MPQ的Thomas Stolz说：“光子作为量子计算机中的信息载体的一个优点是它们彼此之间以及与环境之间的相互作用很低，这就防止了相干性——这是量子比特存在的必要条件，不会被外部干扰迅速破坏。此外，光子可以进行长距离的传输，例如在光纤中。这使其成为构建量子网络的一个特别有前途的候选者：几个量子计算机的连接，加密数据可以无条件地安全传输，并可靠地防止窃听。”
量子计算机的基本组成部分是量子门，也因此是量子网络的基本组成部分。它们的运行模式与传统计算机中使用的逻辑门相对应，是根据量子比特的特殊属性而定制的。
Stephan Dürr解释说：“在俘获离子或超导材料中实现的量子门是目前技术上最先进的。然而，用光子实现量子门更具挑战性。因为在这种情况下，弱相互作用的优势变成了一个有形的劣势。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，这篇论文5月11日以《平均效率高于40%的两个光学光子之间的量子逻辑门》为题发表在《物理评论X》上[2]。
以前实现将两个光子相互连接的量子门尝试只取得了部分成功。它们的主要问题是效率低（最多只有11%）。这意味着很大一部分光粒子以及数据在量子系统中被处理时都会丢失，特别是当许多量子门在一个量子网络中被连续连接时，损失就会增加。“相比之下，我们首次成功地实现了平均效率超过40%的光学双量子比特门，”Stephan Dürr报告说，“这几乎是以前记录的四倍。”
实验装置图。（a)门的方案。控制（目标）光子脉冲从左到右（从右到左）通过该装置。偏振分光器（PBS，蓝色方块）在传入和传出的偏振量子比特和内部双轨量子比特之间进行映射。每个量子比特的一条轨道撞击到腔体上，另一条轨道绕过腔体。如果控制量子比特撞击到空腔上，它就会被储存在里德堡态下。随后，目标光子进入该系统。如果两个量子比特都在它们的空腔轨道上，就会经历一个条件性的π相移。在与目标光子相互作用后，控制光子被检索出来。控制量子比特的旁路轨道在光纤中被延迟，以匹配存储产生的延迟。八边形代表真空室。(b)原子水平方案。耦合光（蓝色，青色）为信号光（红色，紫色）创造EIT。(c)传入脉冲的光功率的时间顺序。纵轴对不同的光场使用不同的刻度。在第一微秒内，控制脉冲被存储；在第二微秒内，目标脉冲与系统相互作用；在第三微秒内，控制脉冲被收回。来源：马克斯-普朗克学会（Max Planck Society）
“这一成功的基础是使用了非线性组件。”Stolz解释说。这些组件包含在一个新的实验平台中，该平台是MPQ团队专门为该实验开发并安装在实验室中的。在这一过程中，研究人员能够在他们之前在2016年和2019年发表的工作中积累经验。团队发现，用光子进行信息处理，使用冷原子气体很有用，其中有几个原子在能量上被高度激发。
“原子介导了光子之间的必要互动，”Stolz解释说。“然而，以前的工作也表明，原子的密度不能太高，否则编码的信息会很快被原子之间的碰撞所抹去。”因此，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 mK（比绝对零度以下273.15摄氏度高50万分之一）的温度。Stolz报告说：“作为光子之间相互作用的额外放大器，我们将超冷原子放在一个光学谐振器的镜子之间。”
实验中量子门分两步处理光学量子比特。第一个光子，称为控制光子，被引入谐振器并储存在那里；然后第二个光子，称为目标光子，进入装置并从共振器的镜子中反射出来。这时会发生相互作用。。最后，两个光子都带着标记在自身上的信息离开了量子门。为了使其发挥作用，物理学家们使用了另一个技巧：基于气体原子的电子激发到非常高的能量水平，称为里德堡态。这导致激发的原子在经典情况下极度膨胀，它的半径达到了一微米——是原子正常大小的几千倍。共振器中以这种方式膨胀的原子使光子有可能对彼此产生足够强的影响。
然而，这只引发了一个相位转移。随后，光被分割成不同的路径并被叠加：只有在这种叠加过程中的量子力学干扰才会把相位移动变成量子门。
该团队在实验之前还进行了详尽的理论分析。
MPQ团队专门开发了一个全面的理论模型来优化新研究平台的设计过程。进一步的理论调查显示了研究人员希望在未来提高其光量子门的效率的方法。他们还想通过同时处理众多量子比特，找出如何将量子门扩展到更大的系统。
MPQ主任Gerhard Rempe说：“到目前为止，我们的实验已经表明，这在原则上是可能的。并对此深信不疑。我们的新发现将对基于光的量子计算机和量子网络的发展大有裨益。”
来源：
[1]https://phys.org/news/2022-05-efficient-optical-quantum-gates.html
[2]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021035