研究人员展示量子计算的新构件

堵平和
导读能源部橡树岭国家实验室的研究人员已经展示了一种新的控制用量子信息编码的光子的水平。他们的研究发表在《光学》杂志上。ORLL量子信息科学

能源部橡树岭国家实验室的研究人员已经展示了一种新的控制用量子信息编码的光子的水平。他们的研究发表在《光学》杂志上。

ORLL量子信息科学组的研究科学家约瑟夫卢肯斯、布莱恩威廉斯、尼古拉斯彼得斯和帕维尔卢戈夫斯基同时独立操作由两个不同频率的光子编码的量子比特,这是线性光量子计算的关键能力。量子比特是量子信息的最小单位。

使用频率编码量子比特的量子科学家已经能够并行地对两个量子比特执行单个操作,但这对量子计算来说还不够。

“为了实现通用量子计算,你需要能够同时进行不同的操作和不同的量子位,这正是我们所做的,”Lougovski说。

根据Lougovski的说法,该团队的实验系统——单根光纤电缆中包含的两个纠缠光子——是“你能想象到的最小的量子计算机”。这篇论文标志着我们基于频率的通用量子计算方法的首次演示。"

“许多研究人员正在讨论使用光子进行量子信息处理,甚至使用频率,”卢肯斯说。“但没有人想过在同一空间通过同一光纤束发送多个光子,并以不同的方式操作它们。”

该团队的量子频率处理器允许他们操纵光子的频率以实现叠加,这是一种能够实现量子操作和计算的状态。

与为经典计算编码的数据位不同,以光子频率编码的叠加量子位具有0和1的值,而不是0或1。这种能力允许量子计算机在比今天的超级计算机更大的数据集上同时执行操作。

使用他们的处理器,研究人员证明了97%的干涉可见度——衡量两个光子相似性的指标——与类似研究中返回的70%的可见度相比。他们的结果表明,光子的量子态实际上是相同的。

研究人员还应用了与机器学习相关的统计方法来证明操作是以非常高的保真度和完全受控的方式完成的。

“我们可以使用贝叶斯推理来提取更多关于我们实验系统量子状态的信息,而不是使用更常见的统计方法,”威廉姆斯说。

“这项工作代表了我们团队的过程第一次回到实际的量子结果。”

威廉姆斯指出,他们的实验装置提供了稳定性和控制。“当光子在设备中采取不同的路径时,它们将经历不同的相变,这将导致不稳定性,”他说。“当它们通过相同的设备时,在这种情况下,光纤链,你可以更好地控制。”

稳定控制可以实现量子操作,从而保护信息,减少信息处理时间,提高能量效率。研究人员将他们正在进行的项目(从2016年开始)与将要连接在一起实现大规模量子计算的积木块进行比较。

彼得斯说,“在采取下一个更复杂的步骤之前,你必须采取一些措施。”“我们之前的项目专注于开发基本功能,这样我们现在就可以在具有完整量子输入态的完整量子域中工作。”

卢肯斯说,该团队的结果表明,“我们可以控制量子比特的量子状态,改变它们的相关性,并使用标准电信技术以适合推进量子计算的方式对它们进行修改。”

他补充说,一旦量子计算机的所有组成部分都到位,“我们就可以开始连接量子设备来建立量子互联网,这是下一个令人兴奋的步骤。”

从超级计算机到超级计算机的信息处理有很多不同的方式,反映了不同的开发人员和工作流优先级。量子设备将以不同的频率运行。这将使连接它们变得很有挑战性,因此它们可以像今天的计算机在互联网上交互一样工作。

这项工作是该团队之前在标准电信技术中展示的量子信息处理能力的扩展。此外,他们表示,利用现有的光纤网络基础设施进行量子计算是可行的:已经投入了数十亿美元,量子信息处理代表了一种新的用途。

研究人员表示,他们工作的“完整周期”方面非常令人满意。“我们一起开始了这项研究,希望探索将标准电信技术用于量子信息处理,我们发现我们可以回到经典领域并对其进行改进,”卢肯斯说。

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