在量子计算的世界里，交互就是一切，为了让计算机正常工作，比特（构成数字信息的一比特和零比特）必须能够相互作用并传递数据进行处理。同样的道理也适用于构成量子计算机的量子位元。但是这种相互作用产生了一个问题——在任何量子位相互作用的系统中，它们也倾向于与环境相互作用，从而导致量子位迅速失去其量子性质。为了解决这个问题，艺术与科学研究生院的博士生Ruffin Evans转向了以缺乏相互作用而闻名的粒子——光子。
博科园-科学科普：埃文斯在米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)的实验室工作，卢金是乔治·瓦斯默·莱弗雷特(George Vasmer Leverett)物理学教授，也是量子科学与工程计划(Quantum Science and Engineering Initiative)的联席主管。设计一个相互作用非常强的系统并不难，但是相互作用非常强也会通过与环境的相互作用产生噪音和干扰。所以你必须使环境极其清洁，这是一个巨大的挑战。我们在一个完全不同的规则下运作，使用光子，它与一切都有微弱的相互作用。
图片：Denis Sukachev
Evans和他的同事们首先利用硅空位中心（钻石中的原子尺度杂质）创造了两个量子位，然后把它们放入一个纳米尺度的光子晶体腔中，光子晶体腔的行为就像两个面镜子。光与原子一次相互作用的几率可能非常非常小，但是一旦光反弹10000次左右，这种情况几乎肯定会发生。所以其中一个原子可以发射光子，它会在这些镜子之间来回反射，在某一点，另一个原子会吸收光子，不过，光子的传递不是单向的。光子实际上在两个量子位之间交换了好几次，这就像他们在玩烫手山芋，量子位来回传递虽然在量子位之间创造相互作用的概念并不新鲜，研究人员已经在许多其他系统中取得了这一成就，但有两个因素使这项新研究与众不同。
关键的进步在于使用的光子的光频率通常相互作用非常微弱，这就是为什么我们使用光纤传输数据——可以通过一根很长的光纤发送光，基本上没有衰减。因此，平台对于长距离量子计算或量子网络尤其令人兴奋。尽管该系统只能在极低温度下运行，但与需要精密的激光冷却系统和光阱来固定原子的方法相比，它的复杂性要小得多。由于该系统是纳米级的，它开启了许多设备可以封装在单个芯片上的可能性。虽然这种相互作用以前已经实现，但还没有在光学领域的固态系统中实现。设备是用半导体制造技术制造的，很容易想象使用这些工具在一个芯片上扩展到更多的设备。
拼接过程：显微镜物镜(从图像顶部下来的大金属筒)，钻石样品(图像中心看起来像玻璃的小板)，以及连接到样品的光纤(样品上方发光的绿色点)。图片：Denis Sukachev
埃文斯展望了未来研究的两个主要方向。第一种方法是开发控制量子位元的方法，并构建一整套量子门，使它们能够作为一台可用的量子计算机发挥作用。另一个方向是说，我们已经可以制造这些设备，获取信息，从设备中读取信息，并将其放入光纤中。所以，让我们考虑一下如何扩大这个规模，并在人类尺度的距离上建立一个真正的量子网络。正在构想一种方案，利用现有的材料，在实验室或校园内的设备之间建立连接，或者利用下一代设备实现小规模量子网络。最终，这项研究可能会对计算机的未来产生广泛的影响。从量子互联网到量子数据中心，任何东西都需要量子系统之间的光学连接，而这正是我们的工作非常适合的部分。
博科园-科学科普｜研究/来自：哈佛大学
参考期刊文献 :《Science》
DOI: 10.1126/science.aau4691
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