探索宇宙奧秘 · 理性思考

量子計(jì)算的"拼圖游戲"困擾物理學(xué)家多年。他們想用量子糾纏的"碎片"搭建超級(jí)計(jì)算機(jī)，但光學(xué)損耗總讓拼圖缺片少角。

現(xiàn)在，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)團(tuán)隊(duì)換了個(gè)思路：先確認(rèn)碎片到手，再拼到圖上。這種"發(fā)射-再添加"協(xié)議，讓低效硬件也能構(gòu)建復(fù)雜的光子圖態(tài)。

光子圖態(tài)是量子信息處理的"瑞士軍刀"。這種由多個(gè)光子糾纏形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是測(cè)量型量子計(jì)算和量子通信的核心資源。

但建造它如同在漏水的桶里攢水。

光學(xué)系統(tǒng)固有的損耗讓大多數(shù)光子源效率低下。構(gòu)建大型糾纏態(tài)時(shí)，光子缺失如同拼圖缺片，整個(gè)量子態(tài)瞬間崩塌。

更麻煩的是，尋找缺失位置需要探測(cè)光子，而探測(cè)本身就是破壞性的。一旦測(cè)量，量子態(tài)就塌縮，無(wú)法回補(bǔ)。

這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期制約著光量子計(jì)算的發(fā)展。理論物理學(xué)家設(shè)計(jì)了精美的圖態(tài)算法，但實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家苦于無(wú)法可靠地生成足夠大的糾纏態(tài)。

損耗像一道無(wú)形的墻，隔開(kāi)了理想與現(xiàn)實(shí)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校團(tuán)隊(duì)提出了"發(fā)射-再添加"（emit-then-add）方案。他們轉(zhuǎn)變思路：不再追求理想化的完美制備，而是立足現(xiàn)有硬件能力。

關(guān)鍵創(chuàng)新是"虛圖態(tài)"概念。系統(tǒng)先激發(fā)量子發(fā)射器產(chǎn)生光子。只有當(dāng)光子被成功探測(cè)后，才將其信息轉(zhuǎn)移到輔助存儲(chǔ)自旋上。

這相當(dāng)于先驗(yàn)貨確認(rèn)無(wú)損，再正式入庫(kù)。

如此一來(lái)，瓶頸從光子損耗轉(zhuǎn)移到自旋量子比特的相干時(shí)間。而后者在現(xiàn)有技術(shù)中可以達(dá)到很長(zhǎng)。

研究人員強(qiáng)調(diào)，這適用于囚禁離子、中性原子等傳統(tǒng)上光子收集效率較低的平臺(tái)。

虛擬圖態(tài)是一個(gè)精妙的中介機(jī)制。發(fā)射器產(chǎn)生的光子不必同時(shí)存在于自然界。通過(guò)輔助存儲(chǔ)自旋，不同時(shí)刻的光子建立起量子關(guān)聯(lián)。

它首次證明了在實(shí)用化硬件上構(gòu)建有用光子圖態(tài)的可能性。

團(tuán)隊(duì)成員馬克斯·戈?duì)柕滦稳葸@一過(guò)程"幾乎反直覺(jué)"。這些光子從未在自然界中同時(shí)存在，卻通過(guò)存儲(chǔ)自旋形成了跨時(shí)空的量子關(guān)聯(lián)。

這種"非同時(shí)性糾纏"拓展了量子態(tài)的構(gòu)建范式。

將視線拉回國(guó)內(nèi)，中國(guó)在該領(lǐng)域布局深遠(yuǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的"九章"系列光量子計(jì)算機(jī)，已實(shí)現(xiàn)高斯玻色采樣等特定任務(wù)的量子優(yōu)越性。

2023年，中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)，刷新了光量子比特糾纏數(shù)量的世界紀(jì)錄。

在實(shí)用化方面，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了高性能的量子點(diǎn)單光子源，為類似協(xié)議提供了硬件基礎(chǔ)。

不同于美國(guó)團(tuán)隊(duì)側(cè)重理論協(xié)議創(chuàng)新，中國(guó)更擅長(zhǎng)將光量子技術(shù)推向工程化、實(shí)用化。兩者形成互補(bǔ)，共同推動(dòng)光量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)。

這種"你追我趕"的態(tài)勢(shì)，正加速量子時(shí)代的到來(lái)。

這項(xiàng)研究的價(jià)值在于務(wù)實(shí)。它沒(méi)有等待完美的硬件，而是讓現(xiàn)有設(shè)備發(fā)揮最大效用。這種"因地制宜"的思路，或許比技術(shù)本身更值得借鑒。

量子計(jì)算的真正突破，往往誕生于理論與現(xiàn)實(shí)的妥協(xié)點(diǎn)。

Maxwell Gold et al, Heralded photonic graph states with inefficient quantum emitters, npj Quantum Information (2026). DOI: 10.1038/s41534-026-01181-7.

On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2405.13263