研究人員展示了量子計(jì)算的新構(gòu)建塊

能源部橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)證明了對(duì)用量子信息編碼的光子的新控制水平。他們的研究 發(fā)表 在 Optica上。

ORLL量子信息科學(xué)小組的研究科學(xué)家Joseph Lukens，Brian Williams，Nicholas Peters和Pavel Lougovski同時(shí)對(duì)兩個(gè)不同頻率光子編碼的量子位進(jìn)行了獨(dú)立的獨(dú)立操作，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，但這對(duì)量子計(jì)算來(lái)說(shuō)是不夠的。

“為了實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算，你需要能夠做 不同 的操作 不同 的量子比特 相同的 時(shí)間，而這正是我們所做的，” Lougovski說(shuō)。

根據(jù)Lougovski的說(shuō)法，該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) - 包含在單股光纜中的兩個(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通用量子計(jì)算方法的首次演示。“

“許多研究人員正在談?wù)撌褂霉庾舆M(jìn)行量子信息處理，甚至使用頻率，”Lukens說(shuō)。“但是沒(méi)有人想過(guò)在同一個(gè)空間內(nèi)通過(guò)相同的光纖束發(fā)送多個(gè)光子，并以不同的方式對(duì)它們進(jìn)行操作。”

該團(tuán)隊(duì)的量子頻率處理器允許他們操縱光子的頻率以實(shí)現(xiàn)疊加，這是一種能夠?qū)崿F(xiàn)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具有0 和 1 的值 ，而不是0 或 1.這種能力允許量子計(jì)算機(jī)同時(shí)在比當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)更大的數(shù)據(jù)集上執(zhí)行操作。

使用他們的處理器，研究人員證明97%的干涉能見度 - 衡量?jī)蓚€(gè)光子的相似程度 - 與類似研究中返回的70%可見率進(jìn)行比較。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，以證明操作是以非常高的保真度和完全受控的方式完成的。

“我們能夠使用貝葉斯推理提取有關(guān)我們實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)量子態(tài)的更多信息，而不是使用更常見的統(tǒng)計(jì)方法，”威廉姆斯說(shuō)。

“這項(xiàng)工作代表了我們團(tuán)隊(duì)的進(jìn)程第一次回歸實(shí)際的量子結(jié)果。”

威廉姆斯指出，他們的實(shí)驗(yàn)裝置提供穩(wěn)定性和控制。“當(dāng)光子在設(shè)備中采用不同的路徑時(shí)，它們會(huì)經(jīng)歷不同的相位變化，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定，”他說(shuō)。“當(dāng)他們通過(guò)相同的設(shè)備，在這種情況下，光纖鏈，你有更好的控制。”

穩(wěn)定性和控制能夠?qū)崿F(xiàn)量子操作，從而保護(hù)信息，減少信息處理時(shí)間并提高能效。研究人員將他們正在進(jìn)行的項(xiàng)目(從2016年開始)與將要連接在一起的構(gòu)建模塊進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算。

彼得斯說(shuō)：“在采取下一個(gè)更復(fù)雜的步驟之前，你必須采取一些措施。” “我們之前的項(xiàng)目專注于開發(fā)基本功能，使我們現(xiàn)在可以在具有全量子輸入狀態(tài)的完全量子域中工作。”

Lukens表示，該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果顯示“我們可以控制量子比特的量子態(tài)，改變它們的相關(guān)性，并使用標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)以適用于推進(jìn)量子計(jì)算的方式對(duì)其進(jìn)行修改。”

一旦量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建塊全部到位，他補(bǔ)充說(shuō)，“我們可以開始連接量子器件來(lái)構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，這是下一個(gè)令人興奮的步驟。”

從超級(jí)計(jì)算機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的不同處理信息的方式很多，反映了不同的開發(fā)人員和工作流程優(yōu)先級(jí)，量子設(shè)備將使用不同的頻率運(yùn)行。這將使連接它們變得具有挑戰(zhàn)性，因此它們可以像今天的計(jì)算機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)上交互一樣工作。

這項(xiàng)工作是該團(tuán)隊(duì)之前 在標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)上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)算是切實(shí)可行的：投入了數(shù)十億美元，量子信息處理代表了一種新用途。

研究人員表示，他們工作的“完整循環(huán)”方面非常令人滿意。“我們一起開始研究，希望探索使用標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)進(jìn)行量子信息處理，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)，”Lukens說(shuō)。