重大突破，美國陸軍研究人員找到了量子計算在室溫下工作的途徑

美國陸軍研究人員預測，在大約十年後，不再需要在極端低溫下才能工作的量子計算機電路可能成為現實。

多年來，在室溫下工作的固態量子技術似乎遙不可及。雖然具有光學非線性的透明晶體的應用已成為實現這一裡程碑的最可能途徑，但這種系統的合理性始終是個問題。

現在，美國陸軍科學家已經正式證實了這種方法的有效性。美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的庫爾特·雅各布斯博士與麻省理工學院的米克爾·赫克博士和德克·恩格倫德教授合作，成為了第一個證明由光子電路和光學晶體組成的量子邏輯門可行性的人。

赫克說：「如果未來使用量子技術的設備需要冷卻到非常低的溫度，那麼這將使它們變得昂貴、笨重、耗電。我們的研究旨在開發未來的光子電路，使其能夠在室溫下操縱量子器件所需的糾纏。」

在未來，量子技術在計算、通信和遙感領域將提供了一系列重大的進展。

為了完成任何類型的任務，傳統的經典計算機工作的信息是完全確定的。信息存儲在許多位中，每個位都可以打開或關閉。一臺經典的計算機，當給定一個由若干位指定的輸入時，可以處理這個輸入來產生一個答案，這個答案也可以作為若干位給出。但經典計算機一次可以處理一個輸入。

相比之下，量子計算機以量子比特的形式存儲信息，這些量子比特可能處於一種奇怪的狀態，即它們同時打開和關閉。這使得量子計算機可以同時探索許多輸入的答案。雖然它不能同時輸出所有的答案，但它可以輸出這些答案之間的關係，這使得它比經典計算機更快地解決一些問題。

不幸的是，量子系統的一個主要缺點是量子比特奇異態的脆弱性。大多數用於量子技術的硬體必須保持在接近零開爾文的極冷溫度下，以防止特殊狀態被與計算機環境的交互作用所破壞。例如，如果環境是由粒子組成的氣體，那麼保持非常冷會使氣體分子緩慢移動，這樣它們就不會像以前那樣撞到量子電路中。

研究者們已經為解決這個問題做出了各種努力，但是還沒有找到一個明確的解決辦法。目前，包含非線性光學晶體的光子電路已經成為在室溫下利用固態系統進行量子計算的唯一可行途徑。光子電路有點像電路，只是它們操縱光而不是電信號。例如，我們可以在透明材料中製作光子向下傳播的通道，這有點像沿著電線傳播的電信號。

與使用離子或原子存儲信息的量子系統不同，使用光子的量子系統可以繞過低溫限制。但是，光子仍必須與其他光子交互才能執行邏輯操作。這就是非線性光學晶體發揮作用的地方。

研究人員可以在晶體中製造空腔，將光子暫時囚禁在其中。通過這種方法，量子系統可以建立兩種不同的量子比特可能保持的狀態：帶光子的腔（開）和不帶光子的腔（關）。這些量子位可以形成量子邏輯門，從而為奇異狀態創建框架。

換句話說，研究人員可以使用光子是否在晶體腔中的不確定狀態來表示量子位。邏輯門同時作用於兩個量子位，可以在它們之間產生「量子糾纏」。這種糾纏是在量子計算機中自動產生的，是量子方法在傳感應用中所必需的。然而，直到現在，科學家們利用非線性光學晶體製作量子邏輯門的想法完全是基於推測。儘管它顯示出巨大的希望，但人們仍然懷疑這種方法是否能導致實用的邏輯門。

非線性光學晶體的應用確實一直是個問題。如果一個光子在一個通道中移動，那麼這個光子就有一個具有特定形狀的『波包』。對於量子門，你需要光子波包在門操作後保持不變。由於非線性會扭曲波包，所以問題是，你是否可以將波包加載到腔體中，讓它們通過非線性相互作用，然後再次發射光子，使它們具有與開始時相同的波包。直到美國陸軍實驗室和麻省理工學院的研究人員提出了一種利用已建立的光子電路元件實現量子邏輯門的方法，才解決這個問題。

一旦研究人員設計了量子邏輯門，他們就可以對門的操作進行了大量的計算機模擬，以證明它在理論上可以正常工作。但用這種方法建造量子邏輯門首先需要顯著提高某些光子器件的質量。根據過去十年取得的進展，他們預計，要實現必要的改善，大約需要十年時間。他們下一步將要進行的實驗是加載和發射無失真的波包，這一過程已經能夠用現有的實驗技術實現。

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