激光技术照亮量子计算之路

光子盒研究院出品

除了超导，其他主流量子计算方案的实现几乎都离不开激光。高纯度、低噪声激光源的进展正在促进实用量子计算机硬件的发展，但频率控制和相位噪声管理的挑战依然存在。本文将阐述激光在量子计算中的重要作用及其面临的挑战。

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激光系统将发挥举足轻重的作用

虽然利用叠加、纠缠等量子力学原理进行计算的想法至少有几十年的历史，但实现实用量子计算机的技术只是在过去的几年里才开始出现。高纯度、低噪声的激光源是新兴量子计算架构的关键使能技术之一。在量子硬件颠覆计算机科学领域的过程中，先进的激光系统将发挥举足轻重的作用。

人们对构建适合量子计算的激光系统的兴趣与量子计算本身的固有优势有关。正如比特是现代数字计算机的基本构件一样，被称为量子比特的两能级系统构成了量子计算机的基础。一个量子比特可以存在于两个二进制状态（零和一）的相干叠加中，所以它可以被用来进行某些计算，比传统计算机要快得多。

物理学、化学和生物学中的许多实际问题，以及诸如会计和汽车设计等不同领域的问题，都可以从量子计算技术中受益。这些领域和其他领域目前面临的问题需要指数级的执行时间，即使是最快的传统超级计算机也需要数十年才能解决。这些计算可以在合适的量子计算机上以更快的速度（以多项式时间）进行。这些问题包括从模拟我们周围的世界到优化、排序问题，大素数因子（支持万亿美元全球电子商务系统的现代加密技术的基础），以及改进现有算法，如人工智能和机器学习。虽然量子计算机不会很快取代传统系统，但这一类别中的高价值问题足以推动数百万美元的投资用于开发实用量子计算机。

把量子计算看作是其发展的最初阶段是很有用的，就像传统计算机一样。事实上，在Charles Babbage和Ada Lovelace开发出第一台现代计算机或计算对数的差分引擎之前，执行这种计算是由熟练的人类完成的，他们的工作头衔是“计算员（computer）”（就像用油漆工作的人被称为画家）。

历史上有很多这样的“计算员（computer）”的例子，包括Katherine Johnson、Dorothy Vaughan和Mary Jackson，他们在美国太空计划的早期发挥了重要作用。Babbage的差分引擎使用机械齿轮来执行洛夫莱斯用纸带打孔开发的程序，可以说是机械计算机中比特的第一个实现。随后的计算机架构找到了表示比特的新方法，包括真空管中的电压和电流波动、偏振光子以及硅芯片中的电子状态。

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实现量子比特

实现量子比特的方法也有很多，而且我们很可能还没有找到在量子计算机中实现的最佳方法。例如，商业上可用的系统，如IBM的Q系统以及谷歌和英特尔的类似硬件，依靠冷却到接近绝对零度的超导线来实现量子比特。这些系统的成功使得研究人员开始研究可以在不那么极端的环境条件下运行的替代性量子计算架构。具有特殊性质的激光系统对最近的许多努力都至关重要，因为它在多能级物理系统中发挥着作用。

在激光激发下的两态能隙。

一个量子比特是一个两能级系统，其中两个状态可以以稳定的叠加方式存在。例如，考虑一个原子的两个内部能量状态：基态和激发态。这些状态之间有一个离散的能量间隙，它们可以用特定频率的激光辐射耦合在一起（其中激光能量和频率由普朗克常数h决定）。原子的状态与激光辐射有一个明确的相位关系（换句话说，激光和原子之间的耦合是相干的）。通过应用频率和持续时间可控的激光脉冲，有可能在两个原子能级之间产生叠加状态，有效地控制发现原子处于激发态或基态的概率。

这个过程显示了一个原子是否同时处于基态、激发态或两者（类似于著名的薛定谔的猫实验）。当测量量子比特时，它以一定的概率坍缩到激发态或基态，并可恢复到传统的|0⟩或|1⟩值。通过结合多个两能级系统，有可能创造出纠缠态，其中一个量子比特的值会影响另一个量子比特的值。控制相干互动的精确调谐的激光脉冲被用来构建量子逻辑门，就像传统计算机使用布尔逻辑门来处理比特一样。

在量子计算机中，对一个或多个量子比特进行操作的量子门序列被用来实现量子算法。我们可以把一个量子门按照设计工作的概率（或者更一般地说，实现一个目标量子状态的概率）作为量子逻辑门的保真度来衡量。保真度本质上是两个状态之间的纠缠成功的概率。如果保真度下降到阈值水平以下，就会发生门的错误，量子计算就会被破坏。量子门的保真度受限于我们对用于与量子比特互动的激光脉冲参数的控制程度。这意味着非常高纯度、低噪声的光源是构建实用、可扩展的量子计算机的基础。

一种基于单个被困原子的量子比特被称为光学量子比特。在离子阱中，原子的能级被选择为使激发态持续尽可能长的时间（使用目前的系统为一到两秒）。在实现实用的光量子比特时，有重大的研究挑战需要克服。其中最重要的是激光线宽，它为激光源和量子比特之间的相互作用设定了一个相干时间上限。为了利用叠加等特性，量子计算机必须在系统失去相干性之前完成所有的计算。这就好比在手机没电时使用计算器功能；在手机没电、计算被迫停止之前，你只有有限的时间来完成工作。

在一个量子系统中最大化相干时间是可取的，以便能够进行更长时间的计算。实现长激发态寿命需要激光源具有极窄的发射线宽，大概在1赫兹的范围内。对于高精细激光腔来说，需要大量的线宽减少和稳定，因为它对微小的振动和其他噪声源都不敏感。

用于离子阱量子计算机中高保真纠缠门的倍频锁相激光系统方框图（红线：激光束；黑线：电子器件）。

使用中心波长为729纳米的Ti:sapphire激光器开发了先进的线宽减少系统，其线宽为1赫兹，并由高精细度的外部光腔进行反馈稳定。这使得创建高保真的纠缠四比特逻辑门成为可能。更具体地说，可以用一个冷却到接近-450°F的钢制真空室来建造离子阱。一打频率稍有不同的激光被射入该室，电离出钙和锶原子的组合，这些原子在电场中被保持并聚集在一起，形成一个晶体。

激光冷却钙离子和锶离子所需的频率，使它们纠缠在一起，并读出结果，都属于光学光谱的同一部分，这简化了激光系统的要求。这种材料系统也可以由红外光操纵，对于红外光，有多种可用的激光源，而其他材料则需要紫外光频率来激发和捕获离子。虽然设备规格不同，但在短期内使用这些设备，输出功率在几百毫瓦到一瓦或更多的数量级应该是可能的。锶和钙的能量状态可以纠缠在一起，因此，读取一个量子比特的状态（例如，通过用只与钙离子相互作用的激光波长来询问晶体）也将产生锶量子比特的状态。

在钙/锶晶体中测量到94%的保真度，足以证明这一概念对于量子计算是可行的；这种结构的变化已经达到了接近99%的保真度，是迄今为止报道的最高门保真度之一。

另一种称为超精细量子比特的方法编码碱土材料基态的两个子层中的信息。两个相隔几千兆赫（量子比特的能隙）的激光频率通过受激拉曼跃迁提供相干耦合。在这种情况下，控制相干性的能力不是由每个激光器的线宽决定的，而是由两个光源之间的相对相位噪声决定。通常，这两个源可以通过锁相两个激光器来实现，以保持精确的频率偏移。还可以使用电光调制通过边带生成产生两个频率。拉曼跃迁是非共振的，这意味着需要相对较高的光功率来实现高保真逻辑门。这种系统需要低相位噪声和高功率，通常在紫外波长。

钙离子超精细量子比特的一种最新实现使用了两个锁相倍频钛宝石激光器，工作波长为397nm，频率偏移为3.2GHz。组合系统可提供超过3W的总功率。这种方法适用于高保真量子门，因为它具有低相位噪声（10 kHz和1 MHz之间的7 mrad rms）。

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技术挑战仍然存在

许多技术挑战仍然存在，包括将这些系统扩展到足够数量的量子比特以进行实际计算。像前面描述的那些系统，一次只演示了几个量子比特；数百或数千个量子比特对于许多应用是期望的。这将需要在保持低噪声和精细线宽的同时，将激光输出功率大大增加几瓦到几十瓦或更高的量级。未来系统中光学部件的精确对准也可能得益于集成光学和调制器的进步。

此外，还提出了不使用离子阱，而是将量子比特编码为单个光子的两种光学模式（例如光偏振）的量子比特的实现。原则上，光子量子比特系统不需要在绝对零度附近冷却即可运行，并且可以使用光纤电缆促进量子位的长距离传输，前提是电缆在量子比特传播期间保持光模式特性。这是一个重大的挑战，因为许多光纤系统的光子衰减和损耗率远远大于相关量子比特的相干时间。

使用这一原理已经证明了在780nm附近波长下工作的实验装置，许多研究人员和机构仍在研究修改的光子量子逻辑门。例如，最近开发的实现8量子比特量子计算机的4×10毫米光子量子比特设备已经可以通过基于云的接口访问。这包括思科新的量子研究团队支持的努力，该团队利用砷化镓铝（AlGaAs）激光源演示集成到光子电路中的光学量子比特。

现在说这些方法中的哪一种将成为传统计算机芯片的固态半导体处理的等价物还为时过早，但我们可以期待高质量激光源在未来出现的任何量子计算架构中发挥关键作用。

参考链接：

https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14235087/lasers-light-the-way-toward-quantum-computing

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