耶魯大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建模塊化量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)的關(guān)鍵步驟之一：在兩個(gè)量子位之間實(shí)現(xiàn)量子門的“傳送”，而非依賴任何直接的相互作用。量子門是單量子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中必不可少的架構(gòu)，研究人員認(rèn)為該架構(gòu)有望消除量子計(jì)算處理器中的固有錯(cuò)誤。

耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建模塊化量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)的關(guān)鍵步驟之一：根據(jù)需要在兩個(gè)量子位之間放置“遠(yuǎn)距傳送”的量子門。

該研究成果發(fā)表在9月5日《自然》期刊網(wǎng)絡(luò)版上。

這項(xiàng)新研究背后的關(guān)鍵就是量子傳送，這是量子力學(xué)的一個(gè)獨(dú)有特征，人們過去曾將其用于在通信雙方之間傳輸未知的量子態(tài)，而無需真正發(fā)送狀態(tài)本身。

耶魯大學(xué)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)，使用上世紀(jì)90年代的理論證明了在兩個(gè)量子位之間實(shí)現(xiàn)量子門的“傳送”，是構(gòu)建未來量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)的關(guān)鍵步驟之一，而非依賴于任何直接的相互作用。

這種量子門是基于單量子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的量子計(jì)算所必需的架構(gòu)。許多研究人員認(rèn)為，這種架構(gòu)可以抵消量子計(jì)算處理器中的固有錯(cuò)誤。

該研究中模塊化量子結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)示意圖

由耶魯大學(xué)量子研究所首席研究員Robert Schoelkopf和他的學(xué)生Kevin Chou等人組成的研究團(tuán)隊(duì)正在研究量子計(jì)算的模塊化方法。

研究人員表示，從最新的SpaceX公司的火箭中的生物細(xì)胞組織，到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)行業(yè)，都可以應(yīng)用這種方法。模塊化方法已被證明是構(gòu)建大型復(fù)雜系統(tǒng)的有效策略。

量子模塊化體系結(jié)構(gòu)由一組模塊組成，這些模塊可供連接到更大型網(wǎng)絡(luò)中的小型量子處理器使用。

這一體系結(jié)構(gòu)中的模塊彼此之間處于自然隔離狀態(tài)，從而簡(jiǎn)化了通過大型系統(tǒng)帶來的不必要的交互過程。研究人員表示，這種隔離狀態(tài)也讓模塊間操作成為一項(xiàng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。而傳送則是實(shí)現(xiàn)模塊間操作的一種方式。

確定性的量子傳送CNOT門示意圖

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度有可能比現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)在，耶魯大學(xué)的研究人員處于開發(fā)第一批完全可用的量子計(jì)算機(jī)的前沿階段，并在超導(dǎo)電路的量子計(jì)算方面做出了開創(chuàng)性的工作。

量子計(jì)算是通過名為“量子位”的精細(xì)數(shù)據(jù)位完成的，這些數(shù)據(jù)很容易出錯(cuò)。在實(shí)驗(yàn)性的量子系統(tǒng)中，“邏輯”量子位由“輔助”量子位監(jiān)視，以便立即檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。 “我們的實(shí)驗(yàn)也是邏輯量子位之間兩量子位運(yùn)算的首次演示，”Schoelkopf表示。 “這是使用可糾錯(cuò)的量子位進(jìn)行量子信息處理的一個(gè)里程碑。”

此研究發(fā)表在9月5日的《自然》期刊網(wǎng)絡(luò)版上

論文摘要

量子計(jì)算機(jī)有可能有效地解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以處理的問題。然而，由于現(xiàn)實(shí)世界量子系統(tǒng)中固有的誤差和噪聲，構(gòu)建大規(guī)模量子處理器的挑戰(zhàn)性很高。

解決這一挑戰(zhàn)的一種方法是利用模塊化策略，這是一種在自然界和工程領(lǐng)域中構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常使用的策略。模塊化方法將小型專用組件組裝到更大的架構(gòu)中，來管理復(fù)雜性和不確定性都很高的系統(tǒng)。

這推動(dòng)了量子模塊化架構(gòu)的發(fā)展，在模塊化量子架構(gòu)中，單獨(dú)的量子系統(tǒng)可以通過信道連接到量子網(wǎng)絡(luò)中。在這種架構(gòu)中，通用量子計(jì)算的基本工具是糾纏量子門的“傳送”，但迄今為止，這種遠(yuǎn)距離傳送還沒有被實(shí)現(xiàn)為確定性操作。

現(xiàn)在，研究人員通過實(shí)驗(yàn)傳送了CNOT門，使用實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制將傳送操作確定下來。此外，我們?cè)趦蓚€(gè)邏輯量子位之間設(shè)置量子門，在超導(dǎo)腔的狀態(tài)下冗余編碼量子信息，朝著實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健、可糾錯(cuò)的模塊化邁出了關(guān)鍵一步。

通過這種可糾錯(cuò)編碼，我們的傳送量子門實(shí)現(xiàn)了79％的過程保真度。傳送量子門對(duì)容錯(cuò)量子計(jì)算起著重大作用，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以在量子通信，計(jì)量和模擬中具有廣泛的應(yīng)用。

如果模塊化量子門傳送可以和量子糾錯(cuò)協(xié)議進(jìn)行集成，那么模塊化量子架構(gòu)可能成為未來可容錯(cuò)量子計(jì)算的很有前途的方法。