量子光学的最近进展预示，有朝一日人们可基于在由反射镜以及少量玻璃器件等简单的光学元件构成的系统中运动的光子来制造量子计算机。这种光学系统将给信息技术带来一场革命，使最困难的计算问题得以快速解决，并增强通讯系统的超安全性能。

当今的计算机普遍采用二进制形式把信息处理为“0”或“1”的序列；而利用量子不仅可以利用纯“0”和“1”态进行信息编码，而且还可以用0和1的混合态进行信息编码（0和1的叠加态可能处于0态也可能处于1态）。此外，叠加态的数目随着量子位数量的增加而增加，以致具有几个量子位的系统可同时处于2n个态。

量子计算机同时借助所有2n个态完成每个运算操作过程，由此可产生巨大的并行能力，可加速解决用其他方法难以解决的问题。虽然迄今人们只发现了少量量子算法，但其中却包含重要的数学问题。例如发现了大数分解法攻克了经典密码术的唯一弱点。

拟议中的量子逻辑硬件基于不同的单量子体系，如单电子电荷、电子自旋、原子或离子中的电子、光子、磁通量以及固体和分子中的核自旋。光子的优点是与环境只发生弱的相互作用，这使得人们在散射扰乱其量子信息之前即可对单光子进行许多操作。光子的这种性质还使其成为处理器之间进行量子信息传递时的自然选择。

单光子通信是量子密码术的基础，量子密码术是一种利用光纤和自由空间光路系统获得证明和机密的技术。与其他已知方法不同，无论计算资源、特制的小配件以及计算机黑客的诡计等情况如何，量子密码术都能保证密码信息秘诀的安全。量子密码术今后可以保障不同地点的银行之间或大城市中的公司的光学线路联系的安全。因此量子逻辑器件非常有可能最先被应用于这种光学系统中。

光子的任何可观测的性质都可被用来存储量子信息。许多实验都是选取与光子自身电场矢量相联系的光子的线偏振（或自旋）进行量子信息存储。例如，我们可以利用水平偏振光子代表0态，而用竖直偏振光子代表1态。因为偏振方向可以指向水平或竖直面内的任何方向，所以一个偏振光子可以编码0和1的任何叠加态。我们可以利用偏振分束器测量光子的线偏振，偏振分束器可以反射所有竖直偏振的光子，而将所有水平偏振的光子透过。

单光子的量子信息也是易于操纵的，例如利用石英薄片即可将光子的偏振方向旋转任意角度。但是，使两个光子发生相互作用——量子逻辑操作的一个极其重要的要素，却是比较难以实现的。几乎没有材料具有足够大的非线性，使两个光子以比较高的效率转换相互作用。因此，绝大多数物理学家认为光子对于量子计算并没有多大用处。

在过去的几年中，科研人员发现了一种仅仅利用线性光学元件——分束器和偏振旋转器进行量子逻辑操作的方法。单光子通过这些简单的元件之后，可以给出人们想要的逻辑输出，但是它们只在某些情况下才能给出这些结果。人们因此也许会认为这样的系统不会有太大用处。毕竟，人们将可能更倾向于仅用部分（几分之一）时间即可给出正确答案的袖珍计算器。但是，如果我们的计算器能在得出正确结果的时候发出绿色闪光提示我们，那岂不是更好吗？

技巧在于把附加光子馈入光学系统之后，根据附加的单光子探测器对成功的操作过程进行后续选择。为使这种技术奏效，重要之处在于这些探测器不会给出逻辑门输出态的任何信息，否则的话将破坏量子信息。借助于巧妙设计的光学系统，光子探测器将只在量子逻辑操作成功时才启动，在这种情况下，光学路径开通或关断进而把逻辑门的输出结果反馈到计算过程的下一步中去。尼尔（Knill）等人证明，利用量子“远距传物”技术，可使联合逻辑操作系统成功的概率接近于100%。

皮特曼（Pitman）等人最近成功地完成了简单的光子量子逻辑门的操作：量子奇偶检验和破坏性受控非逻辑门（CNOT），其中当CNOT逻辑门控制量子位为1时，可使目标量子位发生反转。CNOT逻辑门特别重要，因为它要求两个光子之间具有量子干涉效应。皮特曼等人以17%的平均错误率完成了对0和1输入态的成功操作。他们还宣布使处于0和1叠加态的目标量子位发生了反转。

上述结果证明，后续选择可以导致光子逻辑操作所需的非线性。但是，正如皮特曼等人所指出的那样，逻辑门对于量子逻辑来说其作用是有限的，因为它们会破坏控制量子位。下一步的研究目标是把这些逻辑门与辅助单光子或纠缠光子对相结合，形成非破坏性CNOT逻辑门——量子计算机的一个潜在的构成要素。

我们今后可以让每个光子携带更多的信息，除了以前讨论的自旋之外，光子还拥有轨道角动量（OAM），该物理量与电场的方位角有关系。与偏振不同，每个光子可以有无限多个正交OAM态，由此有可能把多于两个态的叠加态编码到单个光子上。这些“量子尼特”（quNits）可提高量子计算系统的效率、拓宽量子密码系统的范围，并可使涉及两个以上用户的新的联网方案更加容易。

迈尔（Mair）等人已经通过实验演示了两个光子的0AM态的纠缠过程。但是单光子的轨道角动量筛选器件的缺乏，阻碍了多量子位编码的发展。最近，利茨（Leach）等人说明了如何利用干涉测量技术完成这一工作。他们的干涉仪的精华部分是一种被称为达夫（Dove）棱镜的简单的玻璃元件，这种棱镜可以旋转光子的电场剖面。通过把干涉仪一个臂中的光子的电场剖面相对于另一个臂中的光子旋转180*，利茨等人可把具有偶数或奇数0AM态的光子筛选出来。他们把许多这样的干涉仪串联起来之后，即可以鉴别出不同的OAM态。

在光子逻辑器件得以应用之前，还有许多棘手的技术难题有待解决。科研人员必须对非破坏性逻辑门进行完善，使之以远低于迄今报道的错误率运转。他们必须把这些量子逻辑门与效率接近于100%的实用单光子源相集成。必须改进探测技术，以便能够完成像辨别光子数一样的近乎精确的探测。虽然我们离上述量子逻辑器件的实现尚有很长的路要走，但最近这方面的进展使我们有理由对前景保持乐观。

[Science，2002年9月13日]