最新研究：用多重纠缠光超越量子计算

摘要：新的研究表明，光学中的经典物理现象可以实现一种新的混合计算。

（图片来源：网络）

仅使用光学实验室中的简单激光器，物理学家就能执行一些高难度计算，算力可以与在超低温下运行的量子计算机相同。

核心秘诀就是使用纠缠光，这种物理现象与量子力学中的纠缠具有一些相同的特性。清华大学和英国南安普敦大学的研究人员Yijie Shen，以及南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的Andrew Forbes在最近发表在学术期刊《Light: Science and Applications光：科学与应用》上的一篇论文中表明，他们利用“镜子”就可以创造出可以多重纠缠的光束。

威特沃特斯兰德大学物理学教授兼该研究的负责人Forbes说："虽然在量子世界中经常谈及到‘纠缠’，但实际上‘纠缠’的概念并不为量子力学所独有。”

在量子领域，纠缠意味着两个及以上的粒子（例如电子或光子）的量子态具有非定域、非经典的强关联，这些量子态可以与粒子本质相关的一些特性，如偏振或自旋等。自旋可以被认为是一个向上/向下/介于两者之间的条形磁铁。如果纠缠使其中的一个粒子自旋向上，另一个将自旋向下。即使这些粒子位于宇宙的两端，测量其中一个也能获得关于另一个的信息。从物理学角度上看，这些特性不可分割，不可能只取其一。

在经典的纠缠光中，那些不可分离的特性并非两个粒子之间分散体现，而是普遍存在于单束光中。Forbes说："不论是测量两个光子的一种特性，还是测量单束光的两种特性，结果都一样"。

这些特性就是光子组在激光束中遵循的路径。Forbes说："这是一束相干光，但在空间中遵循许多轨迹。每条轨迹都是一个自由度，科学家们可以通过给每个自由度分配不同的值来对这些自由度携带的信息进行编码（不是数字计算的0和1），他们可以将不同的路径命名为1到8，并将这些使用在他们的计算中。

经典的纠缠光，有时被称为 "结构光"，这不是一个新概念。但直到现在，还没有人同时纠缠过两个以上的特性。Forbes说，尽管由于设备的限制可能会加上一个实际上限，但理论上他的团队可以纠缠出无数路径。在他们的论文中，他的团队展示了一个光束内的8个自由度。

他们只是通过改变激光腔中反射镜之间的间距来做到这一点。其中一个是完全反射的平面镜，还有一个像透镜一样的曲面镜，让一定数量的光子撞击平面镜。当镜子之间保持适当的距离时，以某种角度撞击平面镜的光子会以相反的角度反弹，然后击中后方的镜子，并折射到另一个地方的曲面镜。在镜子上不同位置通过的光子形成了某种图案，仅通过移动镜子，科学家们就可以改变光线的角度，从而改变图案。

Forbes说："你可以选择无数条路径——向上、向下、向左、向右、对角线。我们不仅可以同时制造出经过不同路径的光线，而且我们还可以将信息编码到这些路径中，使它看起来像是保持着高维多光子量子态。”

由于量子计算依赖以多种状态存在的粒子，因此理论上也可以使用多种路线的纠缠光来运行的一些相应的算法。Forbes认为，这不会取代研究人员正在研发的量子计算机，但这种方法将在量子计算机和经典计算机之间架起一座桥梁。纠缠光可以执行比数字计算机更复杂的计算，并使用明亮、易于处理的光束来计算，而不是利用那些难于控制的超导量子比特或离子。因为它们的纠缠态只有稍稍超过绝对零度，就会消失。

"这种技术将使我们能够在高维度上模拟，甚至取代一些曾被认为是不可能完成的量子过程。换句话说，可以让我们的生活更轻松。"Forbes说，"我们正在使用来自经典物理世界的设备，来实现类似量子计算的过程。"

文：尼尔·萨维奇

编译：慕一

编辑：王珩

注：本文编译自“IEEE Spectrum”，文章中的信息或所表述的观点意见，均不代表量子前哨同意或支持。

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