據(jù)《自然·光子學(xué)》雜志發(fā)表的研究報(bào)告，麻省理工學(xué)院的研究人員利用被廣泛研究的新型太陽(yáng)能光伏材料——一種鉛鹽石鈣鈦礦納米顆粒——作為光源，開發(fā)了一種新型的量子光源設(shè)備；并證明了這種材料的納米顆粒具有較快的低溫輻射速率，可以發(fā)射出具有相同特性的單光子流。雖然這項(xiàng)工作目前只是對(duì)這些材料功能的基本發(fā)現(xiàn)，但是它最終可能為新型光學(xué)量子計(jì)算機(jī)以及可能的用于通信的量子隱形狀態(tài)設(shè)備鋪平道路。

光學(xué)量子計(jì)算機(jī)的演變

所謂光學(xué)量子計(jì)算機(jī)，是一種使用光子（光粒子）而不是傳統(tǒng)的電子來(lái)進(jìn)行計(jì)算和信息處理的新型計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)量子計(jì)算的大多數(shù)概念使用超冷原子或單個(gè)電子的自旋作為量子比特，或量子位，構(gòu)成此類設(shè)備的基礎(chǔ)。相比較而言，使用光而不是物理物體作為基本量子比特，將消除對(duì)復(fù)雜而昂貴的設(shè)備的需求，以控制量子位，并從中輸入和提取數(shù)據(jù)。

在光學(xué)量子計(jì)算機(jī)中，被用作量子位的光子與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中只能表示0或1的比特不同。光子的量子位可以同時(shí)表示0和1，這就是所謂的疊加。通過(guò)將多個(gè)光子糾纏在一起，它們之間的狀態(tài)會(huì)相互關(guān)聯(lián)，一種改變會(huì)立即影響到其他光子，這就是所謂的糾纏。這種糾纏關(guān)系可以在計(jì)算中實(shí)現(xiàn)高度的并行性和復(fù)雜性。

“如果我們想讓光子在能量、偏振、空間模式、時(shí)間以及所有我們可以用量子力學(xué)編碼的東西上有很好的定義，我們需要樣品源在量子力學(xué)上也有非常清晰地定義。”據(jù)麻省理工學(xué)院的研究生亞歷山大·卡普蘭介紹，他們最終使用的樣品源是一種鉛鹵鈣鈦礦納米顆粒。鉛鹵鈣鈦礦薄膜比當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)的硅基光伏材料更輕，更容易加工，因此它們作為潛在的下一代光伏材料而受到廣泛的關(guān)注。

在納米顆粒形式下，鉛鹵鈣鈦礦以其極快的低溫輻射速率而著名，這使其與其他膠體半導(dǎo)體納米顆粒區(qū)分開來(lái)。光發(fā)射速度越快，輸出具有明確定義的波函數(shù)的可能性就越大。因此，快速的輻射速率使鉛鹵鈣鈦礦納米顆粒能夠獨(dú)特地發(fā)射量子光束。

光學(xué)量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)

“通過(guò)類似量子位的光子，只需‘家用’線性光學(xué)器件，就可以建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。”只要做好這些光子的準(zhǔn)備，并實(shí)現(xiàn)每個(gè)光子精確匹配之前光子的量子特性，“就實(shí)現(xiàn)了真正重大的范式轉(zhuǎn)變，即從需要非常奇特的光學(xué)器件、非常昂貴的設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)橹恍枰?jiǎn)單的設(shè)備和需要特別的是光自身。”

據(jù)卡普蘭介紹，光學(xué)量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。首先，在于光子的高速度和穩(wěn)定性。光子可以以光速傳播，因此信息傳輸速度非常快。此外，光子與外界環(huán)境的相互作用較弱，使得光學(xué)量子計(jì)算機(jī)更不容易受到噪聲和干擾的影響，提高了計(jì)算的精確性和可靠性。

此外，光學(xué)量子計(jì)算機(jī)還具有潛在的巨大計(jì)算能力。通過(guò)利用光子的量子特性，它可以在處理大規(guī)模問(wèn)題時(shí)進(jìn)行高效的并行計(jì)算，從而在某些特定任務(wù)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。

科學(xué)家們希望這項(xiàng)工作能夠激發(fā)人們進(jìn)一步研究如何提高這些材料在各種設(shè)備中的性能。通過(guò)將這些光源集成到光學(xué)腔等反射系統(tǒng)中，不必使用非常昂貴奇特的光學(xué)器件與設(shè)備就可以制作出類似量子位的光子。而且，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)量子計(jì)算機(jī)有望成為未來(lái)計(jì)算和信息處理領(lǐng)域的重要工具，帶來(lái)革命性的進(jìn)展和應(yīng)用。