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耶鲁科学家在两量子比特间“传送”量子门助力可纠错位设计

  大约 20 年前,2 位计算机科学家曾提出一种特殊的量子操作技术,这一技术基于量子隐形传态对两个量子比特进行传输,使量子计算机更加可靠。

  最近,耶鲁大学研究团队成功将这一想法变成现实,通过实验证明了这一令人难以置信的技术确实可行。这项研究论文在 9 月 5 日发表在 Nature 杂志上,耶鲁大学的研究人员已经实现了量子计算模块化的第一步,在两个量子比特间“传送”了量子门。

  新研究基于量子隐形传态(quantum teleportation)技术,该技术在以前的实验中曾被用于在两者间用非物理手段传输未知的量子态。基于 20 世纪 90 年代的理论,耶鲁大学的研究人员在实验中实现了不基于任何直接相互作用的量子运算(即“量子门”)。这种量子门的设计基于由独立量子系统所构建的量子网络,业内专家认为此类设计将能消除源自量子物理本身,量子处理器运算过程中所出现的运算错误。

  目前,耶鲁量子研究所由首席研究员 Robert Schoelkopf 和前研究生 Kevin Chou 所领导的研究小组正在研究量子计算的模块化方法。研究人员表示,模块化设计已被证明是构建大型复杂系统的有效解决方案,从 SpaceX 的火箭引擎到生物细胞中的组织,模块化可谓是无处不在。而预期的量子计算模块化结构将由一组模块构成,用以将小型量子处理器连接到一个更大的网络中。

  此体系结构中的模块彼此之间具有自然隔离,从而减少了通过较大系统的不必要的交互。研究人员表示,这种隔离也使模块之间的操作成为一项独特的挑战。传送量子门是实现模块间操作的一种方式。

  在经典计算机中,计算位的操作被称为逻辑门。就如角斗士竞技场一样,在逻辑门中两个计算位进入,而最终只输出一个计算位。门以不同的形式选择两者中的胜者。逻辑门是组成数字系统的基本结构,通常组合使用不同的逻辑门实现更为复杂的逻辑运算。

  传统计算机的逻辑门,计算位是 1 或 0 的确定状态。但是,量子版本的逻辑门,原先的确定状态变成了 1 和 0 的不确定状态,即叠加态。同时,这一状态当有任何“观测性”行为发生时,则会坍缩为确定的 0 或1 状态。更糟的是,这种让量子态塌缩的“观测性”行为很容易发生,这就让量子计算机对环境提出很高的要求。

  而现在,量子计算机工程师通过模块化结构,将较小的量子系统组建成较大的量子系统以抵消错误。

  通过量子门传输信息,听起来似乎很科幻。但这与在星际迷航中的传送并不是一回事。

  量子遥传又称量子隐形传输、量子隐形传送、量子隐形传态,是指粒子与粒子以对或组的方式相互纠缠后,当一个粒子被测量,另一个粒子则迅速塌缩成一个相关的状态,无论两者相距多远。

  这一现象在技术上已通过实验证明,但直到现在,这一过程还没有进行可靠的实时执行和测量,而该技术对量子计算机的实现至关重要。

  研究人员在一个蓝宝石芯片中实现了这种量子比特的传送。同时,通过应用可纠错编码,这一过程的可靠性为 79%。

  成熟的量子计算机或能实现比现有经典超级计算机快数个量级的计算速度,但基于量子位的量子计算由于量子物理中的一些原则性限制较经典位更易出错。在此次耶鲁大学所公布的研究中,系统增设了用于监控逻辑运算用量子位的“辅助”量子位,[呼叫中心客服专员工作内容]以便在运算过程中及时发现并更正错误。首席研究员 Robert Schoelkopf 说:“我们的实验首次实现了量子比特间的双量子比特运算,可以说是实现可纠错量子比特设计过程中的一个里程碑。”