陈根：新型量子光源为光学量子计算机的成功研发铺路_风闻

文/陈根

据《自然·光子学》杂志发表的研究报告，麻省理工学院的研究人员利用被广泛研究的新型太阳能光伏材料——一种铅盐石钙钛矿纳米颗粒——作为光源，开发了一种新型的量子光源设备；并证明了这种材料的纳米颗粒具有较快的低温辐射速率，可以发射出具有相同特性的单光子流。虽然这项工作目前只是对这些材料功能的基本发现，但是它最终可能为新型光学量子计算机以及可能的用于通信的量子隐形状态设备铺平道路。 

光学量子计算机的演变

所谓光学量子计算机，是一种使用光子（光粒子）而不是传统的电子来进行计算和信息处理的新型计算机。传统量子计算的大多数概念使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子比特，或量子位，构成此类设备的基础。相比较而言，使用光而不是物理物体作为基本量子比特，将消除对复杂而昂贵的设备的需求，以控制量子位，并从中输入和提取数据。

在光学量子计算机中，被用作量子位的光子与传统计算机中只能表示0或1的比特不同。光子的量子位可以同时表示0和1，这就是所谓的叠加。通过将多个光子纠缠在一起，它们之间的状态会相互关联，一种改变会立即影响到其他光子，这就是所谓的纠缠。这种纠缠关系可以在计算中实现高度的并行性和复杂性。

“如果我们想让光子在能量、偏振、空间模式、时间以及所有我们可以用量子力学编码的东西上有很好的定义，我们需要样品源在量子力学上也有非常清晰地定义。”据麻省理工学院的研究生亚历山大·卡普兰介绍，他们最终使用的样品源是一种铅卤钙钛矿纳米颗粒。铅卤钙钛矿薄膜比当今标准的硅基光伏材料更轻，更容易加工，因此它们作为潜在的下一代光伏材料而受到广泛的关注。

在纳米颗粒形式下，铅卤钙钛矿以其极快的低温辐射速率而著名，这使其与其他胶体半导体纳米颗粒区分开来。光发射速度越快，输出具有明确定义的波函数的可能性就越大。因此，快速的辐射速率使铅卤钙钛矿纳米颗粒能够独特地发射量子光束。

 光学量子计算机的优势

“通过类似量子位的光子，只需‘家用’线性光学器件，就可以建造一台量子计算机。”只要做好这些光子的准备，并实现每个光子精确匹配之前光子的量子特性，“就实现了真正重大的范式转变，即从需要非常奇特的光学器件、非常昂贵的设备，转变为只需要简单的设备和需要特别的是光自身。”

据卡普兰介绍，光学量子计算机的优势非常明显。首先，在于光子的高速度和稳定性。光子可以以光速传播，因此信息传输速度非常快。此外，光子与外界环境的相互作用较弱，使得光学量子计算机更不容易受到噪声和干扰的影响，提高了计算的精确性和可靠性。

此外，光学量子计算机还具有潜在的巨大计算能力。通过利用光子的量子特性，它可以在处理大规模问题时进行高效的并行计算，从而在某些特定任务上实现远超传统计算机的计算速度。

 科学家们希望这项工作能够激发人们进一步研究如何提高这些材料在各种设备中的性能。通过将这些光源集成到光学腔等反射系统中，不必使用非常昂贵奇特的光学器件与设备就可以制作出类似量子位的光子。而且，随着技术的不断进步，光学量子计算机有望成为未来计算和信息处理领域的重要工具，带来革命性的进展和应用。