研究人员开发了一个通用量子门

通用量子门：Max Planck物理学家通过使用谐振器中的原子作为介体使两个光子（右）相互作用。谐振器由两个镜子组成，其中激光捕获它们之间的原子。

科学家现在已经开发出一种通用量子门，这可能成为量子计算机中的关键组件。

轻粒子完全彼此忽略。为了使这些粒子可以在加工量子信息时互相交换，GARCHING中最大普朗克量子光学研究所的研究人员现在已经开发了一种通用量子门。量子门是量子计算机的必要元素。用光子切换它们，即光颗粒，与量子信息的其他载波操作它们的实际优点。

吉迪和西斯在星球大战中的光明队的战斗可能很好地表明了一些不同的东西，但光束不会互相注意到。无论他们的强度有多高，他们都会在没有障碍的情况下互相切断。当inpidual灯粒子相遇时，对于量子信息技术的某些应用，就必须完全发生。因此，光子可以不像那样彼此切换，因为如果想要使用它们来操作量子栅极，则必须是Quantum计算机的基本计算单元。

量子计算机可以掌握一些任务，例如搜索数据库，比传统计算机更快。物理学家已经为未来的超级计算机开发了量子栅极，例如通过使用钻石中包含的氮原子作为杂质作为最小的计算单元。但是“用光子计算量子计算机计算将具有实际优势，”Stephan Ritter说，在Max Planck Quantum光学研究所领导Gerhard Rempe师的研究组。“这是因为量子信息必须是光子的形式，以便在大距离上传递。如果我们也可以使用光子来处理它，我们不必将其转移到其他运营商，例如原子，以便与之计算。“

谐振器中的原子在轻粒子之间介导

为了使光子在第一位置感测彼此的存在，更不用说互相交换，他们需要调解器。在由Stephan Ritter的物理学家团队进行的实验中，这种调解角色是通过谐振器中的单个原子进行的。谐振器由两个镜子分开0.5毫米。基于袜子的研究人员使用激光束捕获谐振器中的原子。

对于他们的实验，科学家现在需要两个携带一个量子位的光子。Qubit是传统计算机的比特的量子机械等效物。但是，它可以不仅编码零和一个，而且也是在介于之间的所有可能的状态。研究人员将两种距离的状态写入两个光颗粒的偏振中，即进入电磁波的振荡方向。

Max Planck物理学家在原子和谐振器系统上送到另外一部分的两个光子。由此，第一光子通过改变其状态来将信息传送到原子 - 但仅当光子具有正确的极化时。然后，这种改变对第二光子的偏振具有在短时间内撞击原子和谐振器的第二光子的偏振。

量子栅极以确定性的方式运行

“我们的系统仅成为通用量子门，因为第二光子也可以将信息转移到第一光子上，但是，Bastian黑客称，他们作为他博士论文的一部分进行了实验。为此，科学家们最初在光颗粒反射在谐振器中反射后，在光纤中初始化两个光子的长度超过一公里。同时，它们对原子进行测量，这也可以影响由于量子力学的令人惊讶的特性，这也可以影响两光子的偏振状态。与传统位的情况一样，只有两个可能的测量结果。它们为研究人员提供了可靠的信息，关于它们可以用于完成栅极操作的第一光子的偏振的旋转。

“我们的量子门以确定性的方式运作，”Stephan Ritter说。这意味着科学家可以可靠地预测，根据送入的光子的原始偏振，光颗粒应该在量子栅极中经验。此外，栅极在用捕获的谐振器上冲击谐振器的所有光子上执行这些操作原子 - 至少原则上。实际上，不可避免的技术缺点降低了量子门的效率以及其操作的精度。然而，研究人员已经有一些关于如何改善量子栅极的两个特性的想法：通过使用具有较低损耗的镜子，例如比光纤更有效的光子的存储装置。在物理学家已经尝试的光子之间的量子门的其他实现中，误差是固有的，但是，由于机会总是在这里发挥作用。

两个实验表明量子门是多么可靠的

基于古老的研究人员已经进行了两项实验，以证明它们的量子门已经运行的可靠性。Quantum Gate在此执行的操作仅取决于两个输入光子的偏振。

在一个实验中，研究人员圆偏振第一光子，使得其振荡方向顺时针或逆时针旋转。第二光子是线性偏振的，即​​它使其在水平或垂直平面中振荡。在与这些输入状态的光子对上，量子栅极用作CNOT操作，其中第一Qubit控制第二个。这是因为，取决于第一光子旋转的方向，例如，量子栅极从垂直于水平平面翻转第二光子的偏振。CNOT栅极对量子计算机至关重要，因为它们可用于执行所有逻辑操作。

对于第二种实验，研究人员在涂成线性的两个光子偏振。用这种输入状态喂食，量子栅极缠绕两个光子。缠绕的光子不能再彼此独立地描述，但只有常见状态 - 无论两个光颗粒之间的距离有多差。与纠缠一样，我们的想象力对测试，对于量子计算机而言，它是一种像CNOT门一样的不可或缺的成分。“只有Qubits的纠缠才能展开量子计算机的强度，”斯蒂芬韦尔特说，斯蒂芬韦尔特说，作为他博士论文的一部分，对实验造成了至关重要的工作。

谐振器中的原子作为量子计算机的关键元件

“通过Quantum Gate，我们现在拥有光学量子计算机的关键元素，”Max Planck Institute in Garching Tource的主任Gerhard Rempe说。然而，在这样的量子计算机以速度完成一些传统计算机的速度完成一些计算任务之前，将是一段时间;尤其是因为这需要量子门更可靠地计算。然而，Gerhard Rempe已经有明确的想法，了解如何使用谐振器中的原子在原子下操作。这不需要许多这些系统，每个系统都可以很容易地填充实验室。“逻辑操作可以在另一个之后用谐振器中的单个原子进行，”Gerhard Rempe说。

欧盟委员会显然还认为，这些量子技术概念未来。它计划在一段时间内投入10亿欧元的发展。十年。这笔资金也可以加快实现超级Quantum Computer的过程 - 这也是斯蒂芬的绞车和他的同事们希望。

出版物：Bastian黑客等，“基于光学谐振器中的单个原子的光子 - 光子量子栅极”，“自然（2016）DOI：10.1038 / Nature18592

研究报告的PDF副本：基于光学谐振器中的单个原子的光子 - 光子量子栅极