为量子计算计数的光子

实验装置。一个脉冲源被均匀地分成三段，每段都与一个过渡边缘传感器检测器通道相连接。资料来源：美国能源部杰斐逊实验室和弗吉尼亚大学

核物理学和量子信息方面的专家已经证明了一个光子数量解析系统的应用，可以准确地解析超过100个光子。这一壮举是量子计算开发工作能力上的一大进步。它也可能使量子产生真正的随机数，这是一个长期追求的目标，用于开发不可破解的加密技术，例如军事通信和金融交易的应用。最近，《自然-光子学》杂志报道了该探测器。

世界各地的物理学家都在热切地追求可靠和强大的量子计算的承诺。利用量子计算不仅预示着科学的巨大飞跃，而且还将提升经济和加强国家安全。但到目前为止，地球上最好的大脑还没有达到这个目标。

美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施的一对工程师设计了一个光子检测系统的关键部分，使物理学家离完全可操作的基于光子学的量子计算又近了一步，即完全用光建立的量子计算机。这些工程师是由杰斐逊实验室领导的联邦和学术研究人员组成的跨学科团队的一部分，他们正致力于推进核物理学的量子计算。

有许多不同的方法来尝试制造一个完全运作的量子计算机。对于基于光子学的计算，光粒子或光子的量子检测是至关重要的。目前，单个探测器可以分辨出大约10个光子，但这个数字对于许多量子态生成方法来说太小了。还没有人展示过对超过16个光子的检测，但模拟表明，量子计算将需要检测大量的光子-50个或更多。

团队成员、弗吉尼亚大学量子计算和量子光学研究生研究助理Amr Hossameldin解释说，跨越50个光子的门槛意味着能够实现一个 "立方门"--这是朝着建立一个完整的通用量子计算门组的里程碑。

该团队突破了16个光子的记录，展示了每个单一探测器约35个光子的计数，并在一个三探测器系统中达到100个光子。

"杰斐逊实验室负责理论和计算物理的高级科学家兼副主任罗伯特-爱德华兹说："他们可以预测，他们正在以这种极其精确的分辨率来解决这些影响探测器的100个光子的问题。"这是超级精确的--而这是从未实现过的。"

"缺乏检测一直是这种量子计算方法的一个主要限制。新的光子数分辨率是实现通用指令集的必要步骤，"他继续说。

新的检测系统还有另一个非常有价值的次要好处：量子生成真正的随机数--这是军事通信和金融交易等领域中不可破解的秘密代码或加密的福音。

由经典计算机算法生成的所谓随机数并不是真正的随机数。通过玩数字游戏--寻找哪些数字比其他数字出现得更频繁，它们所产生的算法可以通过一些努力而被破坏。使用量子物理学的真正随机数生成没有这样的缺陷或偏见。

"量子力学中有一种内在的随机性，你可以有一个同时处于两种状态的物理系统，"UVa的物理学教授Olivier Pfister解释说，他专门研究量子场和量子信息，并担任该项目的外部团队领导。"而当你想知道它是哪一种时，它是随机的。

"爱因斯坦对此感到厌烦。他称这是'老一辈人在和宇宙玩骰子'。而我们并不比爱因斯坦知道得更多。"

Pfister和Hossameldin是介绍该团队研究的论文的共同作者。其他作者是杰斐逊实验室的克里斯-奎瓦斯和董海，纽约空军研究实验室的理查德-布里特拉和保罗-阿尔辛，UVa的米勒-伊顿，以及纽约市立大学的克里斯托弗-C-格里。

前所未见的信号
该团队的努力受到了美国能源部科学办公室在2019年发布的公告的启发，该公告在量子地平线计划下为核物理学的量子信息科学研究提供了资助机会。爱德华兹获得了一笔小额拨款，用于资助一个引入量子计算专家的系列讲座。

普菲斯特是2020年3月的第一位演讲者。一周后，COVID-19大流行病关闭了实验室，但联合研究基于光子学的量子计算的种子已经埋下。

一个由物理学家、工程师和博士后组成的大型团队被召集起来。合作开始时的目标是将量子光子学用于与杰斐逊实验室科学项目相关的计算。

UVa已经有一个基于光子的系统，使用脉冲激光器进行量子计算，但缺乏在信号衰减之前以极快的速度和精度检测影响其探测器的光子数量的手段。

与此同时，快速准确地检测粒子是杰斐逊实验室的强项。它的连续电子束加速器设施，或称CEBAF，已经在实验中使用了几十年，这些实验依靠超敏感的探测器来测量当粒子束以近乎光速撞向目标时产生的一连串转瞬即逝的亚原子粒子。CEBAF是美国能源部科学办公室的一个用户设施，有超过1850名核物理学家进入该设施进行研究。

在UVa的Pfister量子光学实验室的一个团队实验中，Hossameldin将三个超导过渡边缘传感器（TES）装置连接起来，组成一个探测器，每个TES装置能够看到35个光子，并将它们设置在激光器前面，打开光束。

由Dong在杰斐逊实验室设计和开发的高速数字化仪是探测器电子装置的关键部分。

"Cuevas说："TES最初的数字化仪不具备我们设计中所包含的高速能力。"我们的数字化仪具有12位的精度，采样时间为4ns，所以这使我们能够从TES捕捉到以前没有见过的信号。"

量子计算的研究正在以指数的速度发展，Cuevas预测新技术将很快取代他们的系统。但建立一个基于光的量子计算机的更大合作仍在继续。

"该项目是一个非常好的例子，设计可以被重复使用并应用于完全不同的科学应用，"Cuevas说。"分享技术是科学界的一个核心基础，作为电子工程师，知道我们的设计可以进一步促进重要的发现是令人兴奋的。"

参考资料：Miller Eaton et al, Resolution of 100 photons and quantum generation of unbiased random numbers, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01105-9