互动科普

用于准量子计算的经典光波

光计算技术

Graham P. Collins

从原理上讲，大型量子计算机能够处理某些最复杂的计算问题，例如对数字进行因式分解以破译密码电文——这样一些问题只需几秒钟便可搞定，而用当今的计算机则需几个世纪。但是量子计算机的研制极为困难，它们靠的是高度可控的微弱量子态间的相互作用。有无其他办法呢？最近，Jan A Walmsley及其同事，在罗切斯特大学用实验证明，普通的经典光波具有像某类量子计算机一样的计算能力。

罗切斯实验检索了一个50单元的分类数据库。一般计算机完成这样一个数据库的对分检索需要询问6次（足以检索64个单元：26=64）。1997年，贝尔实验室的Lov K．Grover证明，无论数据库的规模有多大，量子计算机只须询问一次。

Walmsley他们所用的干涉仪采用光脉冲干涉仪分束器使光脉冲一分为二，分别沿两条光路传播。其中一条光路中的衍射光栅将光脉冲分解为多种谱带，就像白光通过棱镜的情形一样。数据库的50个单元对应于该脉冲光谱的50个光谱带。数据库本身是由声光调制器代表的，光通过调制器传播。调制器将个相移（即光波峰各的位置移动）印记在50个光谱带中的一个上。实质上，每一光谱带对应一个数据库条目（调制器的一个不同部分），只有一个光谱带能够“找到”目标。当该脉冲与干涉仪中的另一路光重新汇合时，只有一明亮的发生相移的光谱带进入光谱仪，光谱仪读取结果。因此，这里只用了光的波性质，而不是其量子特性。

该实验类似于已有的（如让光束通过全息图的）光信号处理方法。所不同的是，它直接用实例证明了Walmsley及其同事去年年末从理论上证明的一般结果。Wabnsley解释说：“所有只采用量子干涉的计算机，都存在一使用经典光学干涉的等价等效物。”从量子计算机上读出结果必然涉及粒子检测，而这个过程所需要的额外的元器件和运算步骤，则会抵消量子计算机的优点。据洛斯阿拉莫斯国家实验室的Emanuel H. Knill说，这种见解指出了用光波计算和量子计算间关系的一种新的前景。

然而，能力最强大的量子算法，如快速因式分解，还需要一种量子特性，即所谓的多粒子态聚合(entanglement)。经典波无法有效地与这些算法竞争，但是光却非常适合干这种真正的量子计算。从理论上讲，可以采用让一个个光子通过简单的线性光学元器件如分束器和移相器这种方法来制造出全能量子计算机。这种方法是1997年提出来的，但是这些早期的设计方案，随着量子比特数目的增加，其所需要的光学元件数量按指数规律增加，除一些最小型的器件外，对其他任何器件均无实际意义。

今年元月．Knill及其同事Raymond Laflamme和澳大利亚昆士兰大学的Gerard J．Milburn展示了一种设计方案，其电路的复杂性按线性规律而不指数规律增加。不像罗切斯特实验，这种方案靠的是在器件光路中传播的个个光子的量子效应，但却避免了光子问的非线性相互作用，相信在极高的光强条件下，或采用某些诸如谐振腔或使光速减慢的玻色一爱因斯坦凝聚的特别设备，很快就会获得某些成果。

量子的力量

按从弱到强，计算能力的三个级别是

l    当今数字机的经典的、基于比特的计算，

l    经典光波计算，这种计算利用量子计算的有限几个方面，即波性质，

l    量子计算，利用量子态聚合及波性质，使对某些问题的处理速度呈指数规律提高。

利用光波搜索数据库可以像量子计算机一样有效。

1、衍射光栅将脉冲分解为50个光谱带，这些光谱带对应于数据库的50个单元。

2、调制器使某个光谱带，即对应于目标数据库单元的那个光谱带发生相移。

3、普通的光波干涉除去未发生相移的光谱带。

4、光谱仪读取保留光——目标数据库单元的结果。

【徐彬／译 杨世乐／校】