研究人員展示了量子計算的新構建塊

能源部橡樹嶺實驗室的研究人員已經(jīng)證明了對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量子信息科學小組的研究科學家Joseph Lukens，Brian Williams，Nicholas Peters和Pavel Lougovski同時對兩個不同頻率光子編碼的量子位進行了獨立的獨立操作，這是線性光學量子計算的關鍵能力。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家已經(jīng)能夠在兩個量子比特上并行執(zhí)行單個操作，但這對量子計算來說是不夠的。

“為了實現(xiàn)通用的量子計算，你需要能夠做 不同 的操作 不同 的量子比特 相同的 時間，而這正是我們所做的，” Lougovski說。

根據(jù)Lougovski的說法，該團隊的實驗系統(tǒng) - 包含在單股光纜中的兩個糾纏光子 - 是“你能想象到的最小的量子計算機”。本文標志著我們基于頻率的通用量子計算方法的首次演示。“

“許多研究人員正在談論使用光子進行量子信息處理，甚至使用頻率，”Lukens說。“但是沒有人想過在同一個空間內(nèi)通過相同的光纖束發(fā)送多個光子，并以不同的方式對它們進行操作。”

該團隊的量子頻率處理器允許他們操縱光子的頻率以實現(xiàn)疊加，這是一種能夠實現(xiàn)量子操作和計算的狀態(tài)。

與為經(jīng)典計算編碼的數(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算機同時在比當今的超級計算機更大的數(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 - 衡量兩個光子的相似程度 - 與類似研究中返回的70%可見率進行比較。他們的結果表明光子的量子態(tài)實際上是相同的。

研究人員還應用了與機器學習相關的統(tǒng)計方法，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我們實驗系統(tǒng)量子態(tài)的更多信息，而不是使用更常見的統(tǒng)計方法，”威廉姆斯說。

“這項工作代表了我們團隊的進程第一次回歸實際的量子結果。”

威廉姆斯指出，他們的實驗裝置提供穩(wěn)定性和控制。“當光子在設備中采用不同的路徑時，它們會經(jīng)歷不同的相位變化，從而導致不穩(wěn)定，”他說。“當他們通過相同的設備，在這種情況下，光纖鏈，你有更好的控制。”

穩(wěn)定性和控制能夠實現(xiàn)量子操作，從而保護信息，減少信息處理時間并提高能效。研究人員將他們正在進行的項目(從2016年開始)與將要連接在一起的構建模塊進行比較，以實現(xiàn)大規(guī)模量子計算。

彼得斯說：“在采取下一個更復雜的步驟之前，你必須采取一些措施。” “我們之前的項目專注于開發(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，該團隊的結果顯示“我們可以控制量子比特的量子態(tài)，改變它們的相關性，并使用標準電信技術以適用于推進量子計算的方式對其進行修改。”

一旦量子計算機的構建塊全部到位，他補充說，“我們可以開始連接量子器件來構建量子互聯(lián)網(wǎng)，這是下一個令人興奮的步驟。”

從超級計算機到超級計算機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，量子設備將使用不同的頻率運行。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算機在互聯(lián)網(wǎng)上交互一樣工作。

這項工作是該團隊之前 在標準電信技術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)絡基礎設施進行量子計算是切實可行的：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，希望探索使用標準電信技術進行量子信息處理，我們發(fā)現(xiàn)我們可以回到經(jīng)典領域并對其進行改進，”Lukens說。