量子計(jì)算的新構(gòu)件已經(jīng)被證明

能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)量子信息編碼的光子進(jìn)行了新的控制。他們的研究成果發(fā)表在Optica上。

ORLL量子信息科學(xué)集團(tuán)的研究科學(xué)家Joseph Lukens、布萊恩威廉斯、Nicholas Peters和Pavel Lougovski對(duì)編碼在不同頻率光子上的兩個(gè)量子比特同時(shí)進(jìn)行了獨(dú)特的獨(dú)立運(yùn)算，這是線性光學(xué)量子計(jì)算的關(guān)鍵能力。量子比特是量子信息的最小單位。

使用頻率編碼量子比特的量子科學(xué)家已經(jīng)能夠在兩個(gè)量子比特上并行執(zhí)行單個(gè)操作，但是這對(duì)于量子計(jì)算來(lái)說(shuō)還不夠。Lougovski說(shuō)：“要實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，你需要能夠同時(shí)操作不同的量子比特，這就是我們?cè)谶@里做的事情。

根據(jù)Lougovski的說(shuō)法，該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——單根光纖電纜中包含兩個(gè)糾纏光子——是“你能想象到的最小的量子計(jì)算機(jī)”。本文標(biāo)志著我們基于頻率的一般量子方法的首次證明計(jì)算。盧肯斯說(shuō)：“許多研究人員都在談?wù)撌褂霉庾舆M(jìn)行量子信息處理，甚至使用頻率?！暗珱](méi)有人想到通過(guò)同一空間的同一光纖束發(fā)送多個(gè)光子，并以不同的方式操作它們?！痹搱F(tuán)隊(duì)的量子頻率處理器允許他們操縱光子的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)疊加，這是一種能夠進(jìn)行量子操作和計(jì)算的狀態(tài)。與為經(jīng)典計(jì)算編碼的數(shù)據(jù)位不同，以光子頻率編碼的疊加量子位的值為0和1，而不是0或1。這種能力允許量子計(jì)算機(jī)在比今天的超級(jí)計(jì)算機(jī)更大的數(shù)據(jù)集上同時(shí)執(zhí)行操作。

使用他們的處理器，研究人員證明了97%的干涉可見(jiàn)度——兩個(gè)光子之間相似性的度量——與類(lèi)似研究中返回的70%的可見(jiàn)度進(jìn)行了比較。他們的結(jié)果表明光子的量子態(tài)實(shí)際上是相同的。研究人員還應(yīng)用了與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)證明操作是以非常高保真和完全可控的方式完成的。威廉姆斯說(shuō)：“我們可以使用貝葉斯推斷來(lái)提取更多關(guān)于我們實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)量子狀態(tài)的信息，而不是使用更常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)方法?！斑@項(xiàng)工作代表著我們團(tuán)隊(duì)的過(guò)程第一次回到了實(shí)際的量子結(jié)果。”

威廉姆斯指出，他們的實(shí)驗(yàn)裝置提供了穩(wěn)定性和控制力?！爱?dāng)光子在裝置中走不同的路徑時(shí)，它們會(huì)經(jīng)歷不同的相位變化，這將導(dǎo)致不穩(wěn)定，”他說(shuō)?！爱?dāng)它們通過(guò)相同的設(shè)備時(shí)，在這種情況下是纖維鏈，你有更好的控制?！?

穩(wěn)定性控制可以實(shí)現(xiàn)量子操作，從而保護(hù)信息，減少信息處理時(shí)間，提高能效。研究人員將他們正在進(jìn)行的項(xiàng)目(從2016年開(kāi)始)與要連接在一起實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的構(gòu)件進(jìn)行比較。“在采取下一個(gè)更復(fù)雜的步驟之前，你必須采取一些步驟，”彼得斯說(shuō)?！拔覀冎暗捻?xiàng)目專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)基本功能，因此我們現(xiàn)在可以在具有完整量子輸入狀態(tài)的完整量子域中工作?！盠ukens說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果表明，“我們可以控制量子比特的量子狀態(tài)，改變它們的相關(guān)性，并使用標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)以適合推進(jìn)量子計(jì)算的方式對(duì)它們進(jìn)行修改?！?

他補(bǔ)充說(shuō)，一旦量子計(jì)算機(jī)的所有構(gòu)件都就位，“我們就可以開(kāi)始連接量子設(shè)備來(lái)構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，這是下一個(gè)令人興奮的步驟?！睆某?jí)計(jì)算機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)，處理信息的方式多種多樣，反映了不同的開(kāi)發(fā)者和工作流程優(yōu)先級(jí)，量子設(shè)備也會(huì)以不同的頻率運(yùn)行。這將使連接它們具有挑戰(zhàn)性，因此它們可以像今天的計(jì)算機(jī)一樣在互聯(lián)網(wǎng)上交互。這項(xiàng)工作是該團(tuán)隊(duì)先前在標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)中展示量子信息處理能力的延伸。此外，他們表示，利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行量子計(jì)算是可行的：已經(jīng)投入了數(shù)十億美元，量子信息處理代表了一種新的用途。

研究人員表示，他們工作的“完整周期”非常令人滿(mǎn)意。Lukens說(shuō)：“我們一起開(kāi)始了我們的研究，希望探索將標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)用于量子信息處理，我們發(fā)現(xiàn)我們可以回到經(jīng)典領(lǐng)域并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。盧肯斯、威廉姆斯、彼得斯和洛夫斯基與普渡大學(xué)的研究生宣盧浩和他的顧問(wèn)安德魯韋納合作。本研究得到了ORNL實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研發(fā)計(jì)劃的支持。

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