原创《如何使光子改变量子态》
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早期量子计算研究都是用光开展的,这是因为光易于操纵,只需几面镜子、几块晶体和光线探测器就能成为一台晶体计算机,但而今几乎所有重大进展都是利用离子、超导电流环或晶体缺陷取得的,因为要进行逻辑运算,必须以一种量子态为基础来对另一种量子态进行修改.而电离子中的量子态会对另一个造成强烈影响,因此逻辑运算会简单得多.但问题在于,能够轻易改变的量子态也容易被环境破坏.相比之下,尽管光量子态对量子计算具有重要意义,可它们的量子态很难进行相互影响,因此多被当作各地之间的信息载体.不过,如今科学家研发出了一种特殊的物质结构,使光线之间可产生强烈的相互影响.
互相无视的光子
光子必须通过某种介质才能交流.当光线穿过玻璃时会使玻璃中的电子发生振动,从而减慢光的传播速度.光的减慢程度表现为材料的折射率,如果加强光照强度,电子会振动得更加剧烈,但并不会改变光线穿过介质的轨迹.但如果光线亮度很高,电子振动的幅度就会超出范围,当电子振动幅度急剧增加,光照强度就会改变介质折射率.而光线也会在穿过改变了路径的介质后发生各种奇怪的现象,如出现新的颜色、光线开始聚焦、或者光脉冲变得更加短暂密集.这正是光量子计算机的目的：由光线来改变光线状态.
两进一出
为此,科学家们希望能打造一种高度敏感的结构,单个光子也能改变其性能.这可以用单个原子来实现.假设宇宙中有一个固定不动的原子,还有一把能发射单个光子的“”. 当单个光子击中原子后,原子会将该光子吸收,过了一段时间后,再朝任意方向“吐”出一个相似的光子.但如果我们接连向原子发射两个光子,原子就只会吸收第一个光子,第二个光子则会径直穿过,相当于一个光子掌控了另一个光子的必经之路.但现实中的原子不会停在原处不动,除非用其他原子将它围困住.原子也不会随意吸收任何颜色的光线,只吸收自然界为其选定的颜色.更糟糕的是,原子体积非常小,光子击中原子并被吸收的概率自然也很小.因此我们需要寻找更适合的原子.
点状原子
这里涉及到量子点是种微型球状材料,如果向其中通入电流,每次只有一个电子能进入体积极小量子点.每个电子都会堵住下一个电子的入口,量子点中包含的单个“自由”电子的表现与原子中的电子无异.但和原子不同的是,不同能级之间的间隔由球体的大小决定.换句话说,由于量子点比一般的原子大得多,因此更容易被光子击中.但是,这项新研究的特殊之处是,研究人员首先采用一种特殊的制造技术,将量子点置于靠近间隔正中的位置,其次是在不同的量子点上面安装了电极,并对量子点的能级进行调整,使量子点吸收和发射的光线颜色与镜子间空隙要求的颜色相符,从而达到单个光子反射光线的效果.
单光子镜子的优势
单光子镜子可以用来制造一连串单个光子.假如有一台激光发射器,每隔几纳秒可产生一道光脉冲.我们逐渐降低它的强度,让每道脉冲中平均仅含有一个光子.说得更精确些,原本含有两个以下光子的光脉冲在反射之后只剩下了一个光子,含有两个以上光子的光脉冲在反射后则拥有不止一个光子.
尽管要想从一道光脉冲中去除一个以上的光子还十分困难,但相信很快便会有科学家展开相关研究.
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