【產(chǎn)通社，1月29日訊】經(jīng)過數(shù)十年的努力，研究人員或許終于接近了實現(xiàn)強(qiáng)大量子計算機(jī)的實用路徑。這些機(jī)器被期望能高效地處理某些計算，使得傳統(tǒng)計算機(jī)需要數(shù)千年才能完成的任務(wù)，只需幾個小時。

由斯坦福大學(xué)（Stanford University）物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊創(chuàng)造了一種新型光學(xué)腔體，旨在捕捉單個原子發(fā)射的最小光子單元。這些原子存儲量子比特，量子比特是量子計算機(jī)中基本的信息單位。該系統(tǒng)首次允許同時從所有量子比特讀取信息，而非逐個讀取。

捕捉單個原子的光

在發(fā)表在《自然》期刊上的一項研究中，研究人員描述了一個由40個光學(xué)腔體組成的工作陣列，每個腔體容納一個原子量子比特，以及一個包含500多個腔體的大型原型。結(jié)果表明構(gòu)建多達(dá)一百萬量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)是一條現(xiàn)實可行的路徑。

“如果我們想制造量子計算機(jī)，就必須能夠非常快速地從量子中讀取信息，”該研究的首席作者、斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院物理與應(yīng)用物理副教授喬恩·西蒙說�！爸钡浆F(xiàn)在，還沒有大規(guī)模實現(xiàn)這一目標(biāo)的實用方法，因為原子發(fā)射光的速度不夠快，而且它們還會向各個方向噴射光線。光學(xué)腔體可以高效地引導(dǎo)發(fā)射光朝特定方向移動，現(xiàn)在我們找到了一種方法，可以在量子計算機(jī)中為每個原子配備在其獨(dú)立的腔體內(nèi)�！�

為什么量子比特如此強(qiáng)大

傳統(tǒng)計算機(jī)處理信息時，比特要么是零，要么是一。量子計算機(jī)則不同，使用量子比特可以同時存在于零、一或兩個狀態(tài)。這種獨(dú)特的行為使量子系統(tǒng)能夠同時評估多種可能的解。

“經(jīng)典計算機(jī)必須逐一推測各種可能性，尋找正確答案，”西蒙說�！暗孔佑嬎銠C(jī)就像降噪耳機(jī)，比較答案組合，放大正確的答案，抑制錯誤的�！�

邁向量子超級計算機(jī)的擴(kuò)展

專家認(rèn)為，量子計算機(jī)需要數(shù)百萬個量子比特才能超越當(dāng)今最強(qiáng)大的超級計算機(jī)。實現(xiàn)這一規(guī)�？赡苄枰獙⒃S多小型量子計算機(jī)連接到更大的網(wǎng)絡(luò)中。本研究展示的腔體系統(tǒng)提供了一種高效的并行讀取量子比特的方法，這對于構(gòu)建如此規(guī)模的系統(tǒng)至關(guān)重要。

除了論文中描述的40腔體配置外，團(tuán)隊已經(jīng)測試了一個擁有500多個腔的概念驗證陣列，并正朝著數(shù)萬個腔體的系統(tǒng)邁進(jìn)。他們的長期愿景包括通過基于腔體的網(wǎng)絡(luò)接口將單個機(jī)器相互連接的量子數(shù)據(jù)中心。

超越計算的廣泛影響

仍面臨重大工程挑戰(zhàn)，但研究人員認(rèn)為其潛在影響巨大。規(guī)模化量子計算機(jī)有望加速材料科學(xué)和化學(xué)合成的進(jìn)展，包括與藥物發(fā)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用，并顯著提升破譯能力。

高效收集單粒子層面光的能力，也可能惠及計算機(jī)以外的領(lǐng)域。應(yīng)用可能包括先進(jìn)生物感測、改進(jìn)的顯微鏡，甚至天文學(xué)。量子網(wǎng)絡(luò)未來可能使光學(xué)望遠(yuǎn)鏡達(dá)到足夠高的分辨率，直接觀測繞太陽系外恒星運(yùn)行的行星。隨著對如何在單粒子層面控光的理解加深，團(tuán)隊認(rèn)為這將改變我們看世界的能力。

剪報來源：
https://scitechdaily.com/stanfords-light-breakthrough-could-finally-make-quantum-computers-scale/
論文鏈接
DOI：10.1038/s41586-025-10035-9