光子處理器

Quantum processor for single photons

July 7, 2016

Max Planck Institute of Quantum Optics

 「沒有什麼不可能。」(Nothing is impossible!) 在這個精神標語下，Max Planck Institute of Quantum Optics 的指揮官 Gerhard Rempe 不斷嘗試使用兩個光子成為一個真正的邏輯閘。他們之所以花那麼多心力是因為，兩個光子通常不互動的，他們比較喜歡穿越互不干擾。這樣的性質讓他們夢想中量子資訊的傳遞更加困難。不過他們找出方法克服障礙-- 他們用了一顆置於光學共振腔的原子作為個中間人。Stephan Ritter 博士也表示「他們的光學邏輯閘特別的是兩光子之間的作用是唯一且決定性的。這對於未來的大規模量子電腦和全球性的量子網路是個重要的關鍵。」

在所有現今的電腦裡，我們都會把資料變成二進位再進行邏輯運算。這會使用名為邏輯閘的運算達成，每個邏輯閘的輸出都是可預測的。同理，再量子電腦裡的邏輯閘運算也該如此。為了讓有用的量子電腦運行，每個資訊的輸入都必要對其他的量子位元造成最大可能性的改變。在實行上，最大的困難是在於量子資訊(quantum information)的本質，不像一般的位元，他不能被複製。因此，不能使用一般的除錯機制(error correction)，邏輯閘也要對任何帶有資訊的光子作用。

因為光子在資訊攜帶有很重要的地位 ，如：在量子資訊的網路裡，正因為如此，具有可預測性的光子邏輯閘是科學家們長久以來的目標。一種可能可以使光子攜帶資訊的方法是，將光子偏振化(polarisation)，垂直偏振和水平偏振就可以對應到現在二進位的 "0" 和 "1"。再加上，一個光子的偏振會影響另一個光子的偏振，光子邏輯閘的構想又離成功更進一步。跟古典邏輯閘的概念相同的是，兩個位元會互相影響而產生答案。譬如說：當第一個光子所攜帶的資訊是 "1"，第二個光子會被偏振90度，反之則不變。但是跟普通邏輯閘有差異的是，邏輯閘只是應付 "0" 和 "1"，但是量子邏輯閘需要應付各種可能的輸入狀況，量子邏輯閘需要製造出各種合適輸出狀態。

在圖中所顯示的實驗，兩個各自偏振化的光子在由兩個鏡子構成的共振腔相撞。在共振腔裡，有個被限制住的銣原子，鏡子和銣原子(Rubidium)構成了很強的耦合系統。如此的系統增強了光子在原子附近的光場(Light Field)，因為有了光和原子的直接互動。因此，當光子來回反射時，銣的原子能階被改變，這改變在第二個光子到鏡子時迅速地被偵測到。

在他們被反射之後，兩個光子都會進入到 1.2 公里長的光纖儲存個幾秒鐘，在此同時，原子的能階就會被測量。Bastian Hacker 說道：「就算這兩個光子沒有出現在同個地方過，沒有辦法直接對互相造成影響，然而，我們已經使兩光子的作用造成最大的影響了。」

科學家可以用實驗證明說，端看光子的偏振，不是第一個光子影響第二個就是第二個影響第一個。他們就可以測量原本輸入的偏振方向和輸出偏振方向的差別。科學家們也就此建立了真值表，對應到各種邏輯運作。

兩顆光子的偏振都是特別選好的來符合要求。博士生 Stephan Welte 說道：「因為光子會糾纏，這使得量子邏輯閘和古典的邏輯閘概念不一樣，兩個光子在作用後，遠距可能會互相影響。」

科學家猜想這全新的光子邏輯閘給全光學量子資訊處理技術鋪好路，以後不管在量子資訊網路或量子電腦核心都會扮演重要角色。