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原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260201223737.htm
原文作者：Stanford University
微型光阱有望实现数百万量子比特的量子计算机
经过多年缓慢的进展，研究人员终于看到了构建强大量子计算机的清晰路径。这些机器有望大幅缩短某些计算所需的时间，将需要经典计算机数千年才能完成的问题变成数小时内就能解决的任务。
斯坦福大学的物理学家团队开发了一种新型光学腔，能够高效捕获单个原子发射的单个光子。这些原子是量子计算机的核心组成部分，因为它们存储着量子比特（qubits），这是传统计算中使用的零和一的量子等价物。这种方法首次允许同时从所有量子比特收集信息。
光学腔实现更快的量子比特读出
在发表于《自然》（Nature）的研究中，该团队描述了一个由40个光学腔组成的系统，每个腔包含一个原子量子比特，以及一个包含500多个腔的更大原型。这些结果指向了一条切实可行的途径，有望构建出未来可能包含多达一百万个量子比特的量子计算网络。
“如果我们想制造量子计算机，我们需要非常快速地从量子比特中读取信息，”该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学和应用物理学副教授Jon Simon说。“到目前为止，还没有一种实用的方法能够大规模地做到这一点，因为原子发光速度很慢，而且还会向各个方向发散。光学腔可以将发出的光高效地引导到特定方向，而我们现在已经找到了一种方法，让量子计算机中的每个原子都能拥有自己的独立腔室。”
光学腔如何控制光
光学腔通过在两个或多个反射表面之间捕获光线来工作，使其来回反射。这种效应可以比作站在哈哈镜之间的情景，反射似乎会无限延伸。在科学环境中，这些腔体要小得多，并使用激光束的反复反射来从原子中提取信息。
尽管光学腔已经被研究了几十年，但由于原子非常小且几乎是透明的，因此很难与原子一起使用。让光线与它们发生足够强的相互作用一直是一个持续的挑战。
使用微透镜的新设计
斯坦福大学的团队没有依赖多次重复反射，而是在每个腔体内部引入了微透镜，将光线紧密地聚焦到单个原子上。即使光线反弹次数减少，这种方法在从原子中提取量子信息方面也更为有效。
“我们开发了一种新型腔体结构；它不再只是两个镜子了，”该研究的第一作者、斯坦福科学研究员Adam Shaw说。“我们希望这将使我们能够构建出运行速度更快、分布式量子计算机，它们能够以更快的速率进行通信。”
超越经典计算的二进制限制
传统计算机使用代表零或一的比特来处理信息。量子计算机使用基于微小粒子量子态的量子比特来运行。一个量子比特可以代表零、一，或者同时代表这两种状态，这使得量子系统能够比经典机器更有效地处理某些计算。
“经典计算机必须逐一处理可能性，寻找正确的答案，”Simon说。“但量子计算机就像降噪耳机，它会比较答案的组合，放大正确的答案，同时抑制错误的答案。”
扩展到量子超级计算机
科学家估计，量子计算机需要数百万个量子比特才能超越当今最强大的超级计算机。Simon表示，达到这一水平可能需要将许多量子计算机连接成大型网络。本研究展示的基于光的并行接口为扩展到如此大规模的规模提供了高效的基础。
研究人员在本研究中展示了一个工作中的40腔阵列，以及一个包含500多个腔的原理验证系统。他们的下一个目标是扩展到数万个。展望未来，该团队设想了量子数据中心，其中单个量子计算机通过基于腔的接口连接起来，形成全规模的量子超级计算机。
更广泛的科学和技术影响
尽管仍然存在重大的工程障碍，但研究人员相信其潜在益处是巨大的。大规模量子计算机可能在材料设计和化学合成方面带来突破，包括在药物发现方面的应用，以及在密码破解方面的进展。
高效收集光的能力也超出了计算的范畴。腔体阵列可以改进生物传感和显微镜技术，支持医学和生物学研究的进步。量子网络甚至可能通过支持更高分辨率的光学望远镜，为天文学做出贡献，从而使科学家能够直接观测到太阳系外行星。
“随着我们对如何操纵单粒子光了解得越多，我认为这将改变我们看待世界的能力，”Shaw说。
Simon还是Joan Reinhart物理学与应用物理学教授。Shaw还是Felix Bloch研究员和Urbanek-Chodorow研究员。
其他斯坦福大学的合著者包括应用物理学Joan Reinhart教授David Schuster，以及博士生Anna Soper、Danial Shadmany和Da-Yeon Koh。
其他合著者包括来自石溪大学、芝加哥大学、哈佛大学和蒙大拿州立大学的研究人员。
这项研究得到了国家科学基金会、空军科学研究局、陆军研究局、赫兹基金会和美国国防部的支持。
蒙大拿州立大学的Matt Jaffe和Simon担任Atom Computing公司的顾问并持有其股票期权。Shadmany、Jaffe、Schuster、Simon以及石溪大学的Aishwarya Kumar持有本研究中展示的谐振器几何形状的专利。
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