传统计算机耗时千年才能破解的难题，量子计算机只需要几小时。但前提是——我们得先学会如何快速"读懂"量子比特。斯坦福大学刚刚找到了办法——他们研发出一种光陷阱装置，能够支持百万量子比特的量子计算机运行。
量子计算的漫长征途上，终于出现了一道曙光。斯坦福大学物理学家领导的研究团队开发出了一种新型"光腔"（optical cavity），能够高效地从单个原子中收集单光子——光的基本粒子。
这些原子充当着量子计算机的构建模块，通过储存"量子比特"来存储信息。量子比特是普通计算机比特（0和1）的量子版本，可以同时处于0和1的叠加态——这正是量子计算威力远超传统计算机的根源。但挑战在于：如何从每个原子中快速读取量子信息？
这项发表在《自然》（Nature）杂志上的研究成果，首次解决了这一难题。研究人员造出了一个包含40个腔体的阵列，每个腔体中各有一个原子量子比特，同时还展示了一个拥有超过500个腔体的原型。这意味着构建百万量子比特的量子计算机网络，不再是纸面上的设想。
"如果我们想制造量子计算机，就需要能够非常快速地读出量子比特中的信息，"该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院 Joan Reinhart 讲席教授 Jon Simon 表示。"在此之前，一直没有一种可扩展的方法来实现这一点，因为原子发光速度不够快，而且它们会向各个方向散射光子。光腔可以有效引导发出的光朝向特定方向，而我们现在找到了一种方法，能让量子计算机中的每个原子都拥有自己的独立腔体。"
所谓光腔，是由两面或多面反射面构成的微型结构。光在其中来回反弹——就像一个人站在游乐园的镜屋之间，看到自己的数千个倒影无限延伸。不同的是，这些光腔极小，利用激光束的多次反弹从原子中提取量子信息。几十年来，研究人员一直在尝试优化这种设计，试图捕捉那些微小、几乎透明的原子身上发出的微弱光子。
但 Simon 实验室走了一条截然不同的路：他们在每个腔体内植入微透镜，将光更紧密地聚焦在单个原子上。反弹次数减少了，但获取量子信息的效率反而大幅提升。
"我们开发了一种全新的腔体架构，不再是简单的两面镜子了，"该研究第一作者、斯坦福科学基金学者、博士后研究员 Adam Shaw 说。"我们希望这将使我们能够构建速度更快、分布式的量子计算机，让它们之间可以用极高速率互相通信。"
从单个原子到百万量子比特
传统计算机逐个遍历可能性寻找答案，而量子计算机像"降噪耳机"一样——同时比较各种答案组合，放大正确的，压制错误的。研究人员估计，一台量子计算机需要数百万个量子比特才能超越经典超级计算机。达到这个数量，很可能需要将多台量子计算机联网。
团队的最终愿景是量子数据中心：每个量子计算机都配备一个由腔体阵列构成的网络接口，实现大规模集成，形成量子超级计算机。
实现这一目标仍需克服重大工程挑战，但前景令人振奋：材料设计的革命、加速药物发现的化学合成、前所未有的密码破译能力，乃至通过增强光学望远镜分辨率直接观测系外行星——这一切都有可能因量子计算而改写。
"随着我们对如何在单粒子层面操控光有更深入的理解，我相信这将彻底改变我们观察世界的能力。"Shaw 说。
