如果听说已经有人采用非常炫酷的方式验证了他的杰出预言，詹姆斯·麦克斯韦可能会兴奋地从坟墓里跳出来。1871年，电磁学奠基人、英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的“麦克斯韦妖”（也称为麦克斯韦精灵）机制，近日已经由美国国科学家通过激光束控制的方式成功实现。
麦克斯韦妖（Maxwell’s demon）是在物理学中，假想的能探测并控制单个分子运动的机制，仿佛有“妖魔”对单个原子或分子进行控制。近日，来自美国麻省理工学院（MIT）、哈佛大学和加州理工学院的研究人员利用激光束制作了“光学镊子”（optical tweezers），并且利用其将单个铷-87原子从原子云中取出固定在特定位置。这一进展将为量子计算打下基础。
原子、光子和其他量子粒子很少处于停顿状态，同一种量子粒子间常常产生碰撞。如果能把大量量子一个个单独用量子围栏“囚禁”起来，就可以将它们作为量子比特，其状态和方向可用来进行计算，速度要比目前基于半导体的计算机芯片大幅提高。
图1 激光束囚禁原子装置示意图
为了捕获单个中性原子，研究人员首先使用激光冷却技术将一团铷-87原子云冷却为温度接近绝对零度的超冷原子，使原子从正常的高速轨道上慢下来。然后，研究人员通过分光器引导不同的激光束。由于出射光束的数量和它们离开分光器的角度都是施加到分光器的射频（RF）波的函数，因此通过精确控制射频波来精确控制激光束的数量和角度。
在激光束通过分光器变成激光梳之后，研究人员再将光束重新聚焦，使其形成焦点宽度仅为90纳米的新光束，在焦点区域激光能量密度最大。将这些焦点置于超冷原子云中，研究人员发现，每个光束的焦点吸引了一个原子，从原子云中将其捕获并使其囚禁悬停在空中。
“这个过程类似于将梳子在羊毛上摩擦，使其产生静电，从而用梳子来拾取小纸片。”论文联合作者弗拉丹·乌莱蒂斯（Vladan Vuletic）解释说，一个个的原子被高强度激光场吸引而脱离原子云并“囚禁”在某个地方。当原子被囚禁在光学镊子的明亮焦点时，会引起光的变化。使用电荷耦合器件（CCD）相机成像，研究人员可以看到哪个镊子囚禁有原子，哪些没有。然后基于这些原子的图像，操作激光光束的角度，来移动单个原子形成任意数量的不同组态（configurations）。
该研究团队目前已将创造出了由50个原子构成的原子阵列，并操控它们进入各种无缺陷的形状（pattern），其中的每个原子都能单独控制，这些原子被囚禁在某个地方的时间长达几秒。乌莱蒂斯教授将这一过程比喻为“从底部向上建立一个小晶体。”
量子计算之所以与这一技术关系密切，是因为操纵单个原子的能力使诱导量子门成为可能。量子门是量子计算的基础，类似于目前的晶体管开关逻辑门。对于量子计算，量子门保持几秒钟的时间还不够，但这是一个很好的开始。最近几年，科学家想了很多方法来把每个量子单独囚禁起来，但由于缺少操控大量原子的可靠方法，这类技术难以扩展，这是实现量子计算的重大障碍。此前的研究只能实现少数几个原子的诱导量子门，且持续时间很短，乌莱蒂斯研究团队成功地在50个原子构成的系统中诱导出量子门，在实现量子计算的道路上迈出意义重大的一步。
图2 利用原子组成的图案
在此前的研究中，量子计算一直采用离子作为量子门，这是因为离子是带电的，更容易用电磁手段进行操作。但研究人员认为，带电荷的离子容易发生同性电荷排斥，难以实现密集排列，而异性的电荷则会相互吸引形成离子化合物且不再带有电荷，因此离子并不适合用于量子计算机。此次哈佛与MIT的研究人员使用中性铷-87原子，则可以避免带电粒子相互排斥的问题，这不仅对诱导持续的量子门十分关键，对于量子计算机研制也是一个重要的里程碑。
量子计算是否会带来安全风险？
[据联邦计算机周刊网站2016年10月31日报道] 虽然一些IT专家看到伴随着量子计算的兴起而产生的巨大网络安全风险，美国国家核安全管理局的首席安全官看到了一个可以加强安全的机会。
美国国家核安全局（NNSA）首席信息官和首席信息安全官Wayne Jones在10月26日的博客文章中写道，量子计算和大数据分析提供了更大的杠杆效用来应对日益增长的网络威胁。
