傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)耗時(shí)千年才能破解的難題，量子計(jì)算機(jī)只需要幾小時(shí)。但前提是——我們得先學(xué)會(huì)如何快速"讀懂"量子比特。斯坦福大學(xué)剛剛找到了辦法——他們研發(fā)出一種光陷阱裝置，能夠支持百萬量子比特的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行。

量子計(jì)算的漫長征途上，終于出現(xiàn)了一道曙光。斯坦福大學(xué)物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新型"光腔"（optical cavity），能夠高效地從單個(gè)原子中收集單光子——光的基本粒子。

這些原子充當(dāng)著量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建模塊，通過儲(chǔ)存"量子比特"來存儲(chǔ)信息。量子比特是普通計(jì)算機(jī)比特（0和1）的量子版本，可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)——這正是量子計(jì)算威力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的根源。但挑戰(zhàn)在于：如何從每個(gè)原子中快速讀取量子信息？

這項(xiàng)發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的研究成果，首次解決了這一難題。研究人員造出了一個(gè)包含40個(gè)腔體的陣列，每個(gè)腔體中各有一個(gè)原子量子比特，同時(shí)還展示了一個(gè)擁有超過500個(gè)腔體的原型。這意味著構(gòu)建百萬量子比特的量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，不再是紙面上的設(shè)想。

"如果我們想制造量子計(jì)算機(jī)，就需要能夠非?？焖俚刈x出量子比特中的信息，"該研究的資深作者、斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院 Joan Reinhart 講席教授 Jon Simon 表示。"在此之前，一直沒有一種可擴(kuò)展的方法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樵影l(fā)光速度不夠快，而且它們會(huì)向各個(gè)方向散射光子。光腔可以有效引導(dǎo)發(fā)出的光朝向特定方向，而我們現(xiàn)在找到了一種方法，能讓量子計(jì)算機(jī)中的每個(gè)原子都擁有自己的獨(dú)立腔體。"

所謂光腔，是由兩面或多面反射面構(gòu)成的微型結(jié)構(gòu)。光在其中來回反彈——就像一個(gè)人站在游樂園的鏡屋之間，看到自己的數(shù)千個(gè)倒影無限延伸。不同的是，這些光腔極小，利用激光束的多次反彈從原子中提取量子信息。幾十年來，研究人員一直在嘗試優(yōu)化這種設(shè)計(jì)，試圖捕捉那些微小、幾乎透明的原子身上發(fā)出的微弱光子。

但 Simon 實(shí)驗(yàn)室走了一條截然不同的路：他們?cè)诿總€(gè)腔體內(nèi)植入微透鏡，將光更緊密地聚焦在單個(gè)原子上。反彈次數(shù)減少了，但獲取量子信息的效率反而大幅提升。

"我們開發(fā)了一種全新的腔體架構(gòu)，不再是簡單的兩面鏡子了，"該研究第一作者、斯坦?？茖W(xué)基金學(xué)者、博士后研究員 Adam Shaw 說。"我們希望這將使我們能夠構(gòu)建速度更快、分布式的量子計(jì)算機(jī)，讓它們之間可以用極高速率互相通信。"

從單個(gè)原子到百萬量子比特

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)逐個(gè)遍歷可能性尋找答案，而量子計(jì)算機(jī)像"降噪耳機(jī)"一樣——同時(shí)比較各種答案組合，放大正確的，壓制錯(cuò)誤的。研究人員估計(jì)，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)百萬個(gè)量子比特才能超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。達(dá)到這個(gè)數(shù)量，很可能需要將多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

團(tuán)隊(duì)的最終愿景是量子數(shù)據(jù)中心：每個(gè)量子計(jì)算機(jī)都配備一個(gè)由腔體陣列構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，形成量子超級(jí)計(jì)算機(jī)。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍需克服重大工程挑戰(zhàn)，但前景令人振奮：材料設(shè)計(jì)的革命、加速藥物發(fā)現(xiàn)的化學(xué)合成、前所未有的密碼破譯能力，乃至通過增強(qiáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分辨率直接觀測系外行星——這一切都有可能因量子計(jì)算而改寫。

"隨著我們對(duì)如何在單粒子層面操控光有更深入的理解，我相信這將徹底改變我們觀察世界的能力。"Shaw 說。