前沿 | 面向光量子计算：MIT新研究实现室温下单光子非线性

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其原型设备可使光子和光子之间在室温情况下进行相互作用。

一般情况下，光粒子（即光子）之间是没有相互作用的。如果两个光子在真空状态下碰撞，它们只会简单地穿越彼此。

如果有一种有效的方法可以使光子之间进行相互作用，那么在经典光学和量子计算这两方面都将产生新的突破。已经有一种实验技术可以保证一些类型的计算可以获得很大的加速。

近些年来，物理学家已经可以通过使用极低温度下的稀有元素原子来使光子间产生相互作用。

但是在最新一期的《物理评论快报》（Physical Review Letters）中，麻省理工的研究者们描述了一种可以使光子在室温下进行相互作用的方法，即使用了一种带有蚀刻了明显模式图样的硅晶体。用物理学术语来说就是这种晶体在光信号传播中引入了「非线性（nonlinearities）」。

来自麻省理工电气工程和计算机科学系（EEACS）的副教授，也是这篇论文的资深作者，Dirk Englund 表示：「所有这些涉及到原子或类原子粒子（atom-like particles）的方法都要求温度极低，而且要求在一个窄频带范围内进行研究。在室温的环境条件下实现单光子级非线性（single-photon-level nonlinearities）一直以来都是一个圣杯（holy grail）。」

在 Englund 的科研团队中，Hyeongrak Choi 是一个来自电气工程和计算机科学系（EEACS）的本科生；Mikkel Heuck 曾是 Englund 实验室的博士后，现在就职于丹麦科技大学（Technical University of Denmark）。

光子独立性

量子计算机控制着一种奇怪的物理特性，叫做「叠加（superposition）」——一个量子粒子在同一时间占据着两种相反的状态。举例说明，一个电子的自旋（spin）（即磁性取向——magnetic orientation）可以同时向上向下；一个光子的极性既可以是垂直的，也可以是水平的。

如果一串量子比特（quantum bits 或 qubits，也就是一个传统计算机中的比特的量子对应）是叠加的，在某种意义上它就可以让多种解决方案在同一时间去解决同一问题，这就是为什么量子计算机可以带来速度提升的原因。

大多数实验中的量子比特使用的是振荡磁场中的囚禁离子、超导电路或者菱形晶体结构中的缺陷（像 Englund 的自己的研究）。然而在所有的这些方法中，叠加（superposition）是难以维持的。

因为光子并不很容易受到与环境的相互作用的影响，而更擅长保持叠加；但是同样基于此种原因，它们也很难被控制。而量子计算需要向量子比特发送控制信号。

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