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有望改进量子信息处理的方法

由能源部橡树岭国家实验室领导的一个研究小组展示了一种将光束分成频率模式的新方法。然后,科学家们可以选择他们想要使用的频率,并用量子信息对光子进行编码。他们的工作可以促进量子信息处理和分布式量子计算的进步。

该团队的研究结果发表在Physical Review Letters上。

光的频率决定了它的颜色。当频率被分离时,如在彩虹中,每个彩色光子可以用量子信息编码,以称为量子位的单位传递。Qubits类似但不同于经典位,其值为0或1,因为量子位同时用0和1的值进行编码。

研究人员将量子信息处理比作走进走廊并能够双向进行,而在经典计算中,只有一条路径是可能的。

该团队的新方法 - 首次展示频率测试仪,将光分成三个频率的仪器 - 返回了与其预测相匹配的实验结果,并表明许多量子信息处理操作可以同时运行而不会增加误差。量子系统在日益复杂的条件下按预期执行而不降低编码信息。

“在我们的实验条件下,我们得到了比典型错误率更好的因子10,”量子通信团队负责ORNL量子信息科学小组的Nicholas Peters说道。“这使我们的方法成为高维基于频率的量子信息处理的领跑者。”

光子可以在叠加中携带量子信息 - 其中光子同时具有多个比特值 - 并且叠加的两个量子系统的存在可以导致纠缠,这是量子计算中的关键资源。

纠缠增强了量子计算机可以运行的计算次数,团队专注于创建更复杂的频率状态,旨在使量子模拟更加强大和高效。研究人员的方法也值得注意,因为它演示了Hadamard门,这是通用量子计算所需的基本电路之一。

“我们能够立即展现极高保真度的结果,这对光学方法来说非常令人印象深刻,”该项目的首席研究员Pavel Lougovski说。“我们正在寻找ORNL的一个子域,我们的基于频率的编码工作。”

该方法利用广泛可用的电信技术和现成的组件,同时产生高保真结果。开发量子中继器的努力,可以在物理上分离的计算机之间传输延长量子信息的距离,将从这项工作中受益。

“我们的方法与电信网络兼容的事实是一个很大的优势,”Lougovski说。“如果需要,我们可以在电信网络上进行量子操作。”

Peters补充说,他们的项目表明,通过并行运行,可以利用未使用的光纤带宽来减少计算时间。

“我们的工作使用频率的主要优势 - 稳定性 - 获得非常高的保真度,然后在我们需要时控制频率跳跃,”领导ORNL实验的Wigner研究员Joseph Lukens说。研究人员已经通过实验证明,量子系统可以转化为产生所需的输出。

研究人员建议他们的方法可以与现有的光束分离技术配合使用,利用两者的优势,使科学界更接近充分利用基于频率的光子量子信息处理。

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