耶魯大學(xué)的研究人員證明，構(gòu)建模塊化、可糾錯量子計算機(jī)架構(gòu)的關(guān)鍵步驟之一是按需在兩個量子比特之間「隱形傳送」量子門。該研究于 9 月 5 日在《nature》上發(fā)布。
這項新研究背后的關(guān)鍵原理是量子隱形傳態(tài)，這是量子力學(xué)的獨(dú)有特征，曾被用來在雙方之間隱形傳輸未知的量子態(tài)，而不需要在物理上發(fā)送粒子本身。耶魯大學(xué)的研究人員利用 20 世紀(jì) 90 年代開發(fā)的理論協(xié)議，在不依賴任何直接相互作用的情況下，通過實驗展示了在兩個量子比特之間的量子門的隱形傳輸。這種門對于依賴分離量子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的量子計算來說非常必要——許多研究人員認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)可以抵消量子計算處理器固有的誤差。
通過耶魯量子研究所，由首席研究員 Robert Schoelkopf 和前研究生 Kevin Chou 領(lǐng)導(dǎo)的耶魯研究小組正在研究量子計算的模塊化方法。研究人員稱，從生物細(xì)胞組織到最新 SpaceX 火箭引擎網(wǎng)絡(luò)等所有領(lǐng)域都已發(fā)現(xiàn)的模塊化，被證明是構(gòu)建大型復(fù)雜系統(tǒng)的有力策略。量子模塊化架構(gòu)由一系列模塊組成，這些模塊充當(dāng)連接更大網(wǎng)絡(luò)的小型量子處理器。
這種架構(gòu)中的模塊彼此之間具有自然隔離，通過更大系統(tǒng)減少不必要的相互作用。然而，根據(jù)研究人員的說法，這種隔離也使得在模塊之間執(zhí)行運(yùn)算成為一個明顯的挑戰(zhàn)。量子門傳輸是實現(xiàn)模塊間運(yùn)算的一種方式。
Chou 表示，「我們的工作首次展示了這種協(xié)議，其中經(jīng)典通信實時發(fā)生，允許我們實現(xiàn)『確定性』運(yùn)算，每次都能執(zhí)行期望的運(yùn)算。」
圖 1：模塊化架構(gòu)和傳輸 CNOT 門的構(gòu)造。
實用量子計算機(jī)的計算速度將能超越當(dāng)前超級計算機(jī)幾個數(shù)量級。耶魯大學(xué)的研究人員站在了開發(fā)首個實用量子計算機(jī)的前沿，用超導(dǎo)線路完成了量子計算的開創(chuàng)性工作。
量子計算是通過稱為量子比特的相互作用來完成的，這種數(shù)據(jù)容易出錯。在實驗量子系統(tǒng)中，「邏輯」量子比特由「輔助」量子比特監(jiān)控，以便立即檢測和糾正錯誤。Schoelkopf 表示，「我們的實驗第一次演示了邏輯量子比特之間的兩比特運(yùn)算。這是使用可糾錯量子比特進(jìn)行量子信息處理的里程碑。」
論文：Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0470-y
預(yù)印地址：https://arxiv.org/pdf/1801.05283.pdf
摘要：量子計算機(jī)擁有高效求解經(jīng)典計算機(jī)難以解決的問題的潛力。然而，由于真實世界量子系統(tǒng)內(nèi)在的誤差和噪聲，構(gòu)建大規(guī)模的量子處理器很有挑戰(zhàn)性。解決這個問題的一個方法是利用模塊化，這種策略常被用來在自然和工程中構(gòu)建魯棒的復(fù)雜系統(tǒng)。該方法通過集成小型、專用的組件到更大規(guī)模的架構(gòu)中來控制復(fù)雜性和不確定性。這種思想啟發(fā)了量子模塊化架構(gòu)的開發(fā)，其中分離的量子系統(tǒng)通過通信通道連接到量子網(wǎng)絡(luò)中。在這種架構(gòu)中，通用量子計算的基本工具是糾纏量子門的傳輸，但這種傳輸迄今為止尚未被確定性地實現(xiàn)。
我們在本文實驗中展示了控制非門（CNOT）的傳輸，通過使用實時的適應(yīng)性控制實現(xiàn)了確定性操作。此外，我們通過制定兩個邏輯量子比特之間的量子門，在超導(dǎo)腔的量子態(tài)中編碼冗余量子信息，來實現(xiàn)魯棒的誤差校正模塊。通過使用這種誤差校正編碼，我們的量子門傳輸達(dá)到了 79% 的過程保真度。
可傳輸?shù)牧孔娱T對于容錯量子計算意義重大，當(dāng)能在量子網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)時，其將在量子通信、量子測量和量子模擬中得到廣泛應(yīng)用。在結(jié)合了量子誤差校正協(xié)議后，我們的結(jié)果展示了在邏輯量子比特上實現(xiàn)多量子比特運(yùn)算的優(yōu)越方法，表明使用模塊化架構(gòu)實現(xiàn)容錯量子計算很有潛力。
圖 4：確定性傳輸 CNOT 量子門的實驗展示。