以色列魏茨曼研究所的科學家們近日研制出世界上首個光子路由裝置。該光子路由裝置是一種基于單個原子的量子裝置，可以實現(xiàn)單光子路由功能。這項發(fā)布在《科學》雜志上的重大成果，標志著在構(gòu)建量子計算機所面臨的重重困難中，人類又向前邁進了一步。

示意圖顯示處在中心位置的橙色單個原子將黃色光子分配到不同方向的路徑。

世界上首個光子路由裝置。

該裝置的核心是一個原子，它可以在兩種狀態(tài)之間切換。被設(shè)定的狀態(tài)為，僅從光纖右邊或左邊發(fā)送單個光子，相應地，裝置中心的原子將反射或者傳導下一個傳入的光子。比如，一個從右邊過來的光子沿著自己的路徑奔向左邊，同時一個從左邊過來的光子被反射回去，導致處在中心的原子快速翻轉(zhuǎn)。完全相反的情形是，原子讓左邊過來的光子正常行進，一旦從右邊來的光子逆流而至，這個原子又被快速翻轉(zhuǎn)回來。這種原子基“開關(guān)”僅用單個光子就可操作，不需其他額外條件。

“從某種意義上講，這個光學設(shè)備類似于能控制電流開關(guān)的電子晶體管。”魏茨曼研究所量子光學課題組組長巴拉克·達洋博士說，光子不僅是構(gòu)成信息流的單位，還具備控制設(shè)備的功能。

物理學家組織網(wǎng)7月15日(北京時間)報道稱，取得這項成果需要充分結(jié)合世界上兩個最先進的技術(shù)。一個是激光制冷和原子捕獲技術(shù)，另一個是基于芯片和超高品質(zhì)的微型光學諧振器的制造技術(shù)，二者直接結(jié)合起來能制備出符合實驗要求的光纖。達洋實驗室所在的魏茨曼研究所，是世界范圍內(nèi)少有的能同時熟練掌握這兩種技術(shù)的研究所之一。

在研發(fā)量子計算機所做的各種努力中，最主要的動力來源于客觀存在的量子“疊加態(tài)”，這是粒子以不同形態(tài)同時存在的一種狀態(tài)，擁有并行處理巨型數(shù)據(jù)庫的潛能。而且，疊加態(tài)的無限期存在，能持續(xù)對系統(tǒng)進行監(jiān)控和測量，防止計算機崩潰。因為量子系統(tǒng)之間完全沒有交往，量子系統(tǒng)與其他粒子系統(tǒng)的互動也微乎其微，所以，光子是量子系統(tǒng)之間通信最有前途的候選對象。

達洋博士說：“構(gòu)建量子計算機的道路仍然很長，我們建造的設(shè)備演示了一個簡單實用的系統(tǒng)，可以應用于所有未來量子計算機的建構(gòu)。在目前的演示中，單個原子可以做晶體管，也可以做光子間的雙向開關(guān)，但是在接下來的實驗中，我們希望擴展這種單獨作用于光子的設(shè)備種類，比如新型光子存儲器或者邏輯門等。”

圈點

牛頓曾經(jīng)設(shè)想光是一束微粒，光像小球一樣被平板反射回去，他肯定沒想到，三百年后，人們已將單個光子把玩于股掌之中，如同撥弄一顆玻璃彈球?？茖W家用的“球拍”是一個原子，光子從它那里通過或者反彈，是完全可預料的和可操縱的，如此精細的裝置，真可謂巧奪天工。在此類最基礎(chǔ)的量子光學元件的基礎(chǔ)上，我們未來將拼裝出一臺量子計算機。它只發(fā)光，不發(fā)熱，呵一口氣的能量，就能讓它在一塊頭皮屑大小的工作空間里，輕松勝過現(xiàn)在的超級計算機。