於光晶格中实现量子计算.PDFVIP

於光晶格中實現量子計算 文/韓殿君 摘要 利用雷射光束於空間中所形成之三維周期性干涉條紋—即所謂之光晶格，物理學家已能將冷 原子置於其中。藉著調制雷射光束之強度與極化角，使各冷原子對間進行量子糾纏，將可能達成 簡易之量子邏輯閘運算。本文將介紹此一量子計算家族之新成員。 一、前言 礎。量子電腦之執行，則無疑在執行一連串之量子 近年來，隨著學界對於量子計算(quantum 測量(measurement)與運算(operation) 。然而，尋找 calculations)與量子訊息(quantum information)投入 能同時滿足上述條件之量子系統實非易事。至目前 廣泛研究，此一領域之發展已漸露輪廓。牛津大學 為止，僅有下列系統，如離子阱(ion trap)系統 [註， 的 Stean 認為[1] ，一個量子系統必須滿足下列條 請參閱本期雙月刊，郭西川教授之文章] 、核磁共 件，方能滿足一量子電腦所需之基本架構。該條件 振(NMR) 系統、與電子自旋相關之凝態系統 如下： (spin-related condensed matter system) 、及高Q-值共 1. 每一量子位元(quantum bit ，或簡稱為qubit) ，必 振腔(high Q-value cavity)系統，已被實驗初步驗證 須與其環境充分隔離， 可行。然而，各系統皆有其特定優缺點。因此，最 2. 足以將每一量子位元置於特定之量子狀態， 後勝出之系統仍為未定之天。 3. 每一特定狀態之量子位元均適用於量子邏輯閘 自 1980 年代後期，雷射冷卻中性原子(laser (quantum logic gate)之操控， cooling of neutral atoms)方面之研究屢有突破。超冷 4. 具有特定之方法，以供測量每一量子位元之狀 原子(ultracold atoms)已能在全世界眾多雷射致冷 態， 實驗室之桌上型實驗裝置中產生。超冷原子之特 -6 5. 量子位元數能夠被擴充(scalable) ， 點，乃為其動能極小，約為室溫原子 10 倍或更 6. 有能力執行量子糾錯(quantum error correction) 。 小。因此，不需要用極深之位能阱，即可將其侷限 基本上，上列所述之條件，實為量子力學之基 於空間中。加之，中性原子間之作用力，在距離遠 ■525 ■ 物理雙月刊（廿五卷四期）2003年8月 大於原子本身尺度時極為微弱。超冷原子間之碰撞 force) ，而Fsc 則稱為光散射力(scattering force) ，或 又屬於單純之 S− 波的量子碰撞(quantum 輻射壓力(radiation pressure force) 。對原子系統而 collisions) 。原子間之作用力除隨其間之距離而變 言，Fsc 又稱為自發性輻射力(spontaneous force) 。 外，亦可藉由外加磁場(即Feshbach 共振[2]) 、光場 光偶極力屬受激(stimulated)模式之吸收與輻射過 [3] 或射頻波場[4]調制。鑑於此，1999 年，奧地利 程。因此，其中並無形成阻尼之機制。其所形成之 Innsbruck 大學 Zoller[5]等提議將超冷原子置