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量子计算的新构建块得到了证明

能源部橡树岭国家实验室的研究人员对用量子信息编码的光子进行了新的控制。他们的研究成果发表在Optica上。

ORLL量子信息科学小组的研究科学家Joseph Lukens,Brian Williams,Nicholas Peters和Pavel Lougovski在不同频率光子上编码的两个量子比特上同时执行了独特的独立操作,这是线性光学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在两个量子比特上并行执行单个操作,但这对量子计算来说是不够的。

“要实现通用量子计算,你需要能够同时对不同的量子位进行不同的操作,这就是我们在这里所做的,”Lougovski说。

根据Lougovski的说法,该团队的实验系统 - 包含在单股光纤电缆中的两个纠缠光子 - 是“你能想象到的最小的量子计算机。本文标志着我们基于频率的通用量子方法的首次证明计算“。

“许多研究人员正在谈论利用光子进行量子信息处理,甚至使用频率,”Lukens说。“但没有人想过在同一个空间内通过相同的光纤束发送多个光子,并对它们进行不同的操作。”

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同时在比当今的超级计算机更大的数据集上执行操作。

使用他们的处理器,研究人员证明97%的干涉可见度 - 衡量两个光子的相似程度 - 与类似研究中返回的70%可见率相比较。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,以证明操作是以非常高的保真度和完全受控的方式完成的。

“我们能够使用贝叶斯推理提取有关我们实验系统量子态的更多信息,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进程第一次回归实际的量子结果。”

威廉姆斯指出,他们的实验装置提供稳定性和控制。“当光子在设备中采用不同的路径时,它们会经历不同的相位变化,从而导致不稳定,”他说。“当他们通过相同的设备,在这种情况下,光纤链,你有更好的控制。”

稳定性和控制能够实现量子操作,从而保护信息,减少信息处理时间并提高能效。研究人员将他们正在进行的项目(从2016年开始)与将要连接在一起的构建模块进行比较,以实现大规模量子计算。

“在采取下一个更复杂的步骤之前,你必须采取一些步骤,”彼得斯说。“我们之前的项目专注于开发基本功能,使我们现在可以在具有完全量子输入状态的完全量子域中工作。”

Lukens说,该团队的结果显示“我们可以控制量子比特的量子态,改变它们的相关性,并使用标准电信技术以适用于推进量子计算的方式对其进行修改。”

一旦量子计算机的构建块全部到位,他补充道,“我们可以开始连接量子器件来构建量子互联网,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不同处理信息的方式很多,反映了不同的开发人员和工作流程优先级,量子设备将使用不同的频率运行。这将使连接它们变得具有挑战性,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上展示量子信息处理能力的延伸。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切实可行的:投入了数十亿美元,量子信息处理代表了一种新用途。

研究人员表示,他们工作的“完整循环”方面非常令人满意。“我们一起开始研究,希望探索使用标准电信技术进行量子信息处理,我们发现我们可以回到经典领域并对其进行改进,”Lukens说。

Lukens,Williams,Peters和Lougovski与普渡大学的研究生Hsuan-Hao Lu和他的顾问Andrew Weiner合作。该研究得到了ORNL实验室指导研究和开发计划的支持。

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