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耶鲁科学家成功在两量子比特间“传送”量子门

2019-10-31 作者:数据解读   |   浏览(165)

原标题:量子计算新突破!耶鲁科学家把量子门“传送”了

原标题:耶鲁科学家成功在两量子比特间“传送”量子门,为可纠错量子位设计铺路

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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。

来源:phys.org、Nature

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编辑:大明

图 | 9 月 5 日 Nature 杂志刊登量子门研究(来源:Nature)

【新智元导读】耶鲁大学研究人员发现了构建模块化量子计算机架构的关键步骤之一:在两个量子位之间实现量子门的“传送”,而非依赖任何直接的相互作用。量子门是单量子系统网络计算中必不可少的架构,研究人员认为该架构有望消除量子计算处理器中的固有错误。

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。

耶鲁大学的研究人员发现,构建模块化量子计算机架构的关键步骤之一:根据需要在两个量子位之间放置“远距传送”的量子门。

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。

该研究成果发表在9月5日《自然》期刊网络版上。

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这项新研究背后的关键就是量子传送,这是量子力学的一个独有特征,人们过去曾将其用于在通信双方之间传输未知的量子态,而无需真正发送状态本身。

图 | 耶鲁大学所研发的模块化量子计算设计示意图(来源:yale.edu)

耶鲁大学的研究人员通过实验,使用上世纪90年代的理论证明了在两个量子位之间实现量子门的“传送”,是构建未来量子计算机架构的关键步骤之一,而非依赖于任何直接的相互作用。

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。

这种量子门是基于单量子系统网络的量子计算所必需的架构。许多研究人员认为,这种架构可以抵消量子计算处理器中的固有错误。

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。

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这些计算位通过门的操作相互作用,构成了最终你想要得到的计算的基础。

该研究中模块化量子结构的网络示意图

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。

由耶鲁大学量子研究所首席研究员Robert Schoelkopf和他的学生Kevin Chou等人组成的研究团队正在研究量子计算的模块化方法。

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研究人员表示,从最新的SpaceX公司的火箭中的生物细胞组织,到移动网络等各个行业,都可以应用这种方法。模块化方法已被证明是构建大型复杂系统的有效策略。

图 | 证明量子门实现的实验设备(来源:Nature)

量子模块化体系结构由一组模块组成,这些模块可供连接到更大型网络中的小型量子处理器使用。

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。

这一体系结构中的模块彼此之间处于自然隔离状态,从而简化了通过大型系统带来的不必要的交互过程。研究人员表示,这种隔离状态也让模块间操作成为一项独特的挑战。而传送则是实现模块间操作的一种方式。

要实现这一目标,量子门也需要共享。

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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。

确定性的量子传送CNOT门示意图

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。

量子计算机的计算速度有可能比现有的超级计算机快几个数量级。现在,耶鲁大学的研究人员处于开发第一批完全可用的量子计算机的前沿阶段,并在超导电路的量子计算方面做出了开创性的工作。

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。

量子计算是通过名为“量子位”的精细数据位完成的,这些数据很容易出错。在实验性的量子系统中,“逻辑”量子位由“辅助”量子位监视,以便立即检测和纠正错误。 “我们的实验也是逻辑量子位之间两量子位运算的首次演示,”Schoelkopf表示。 “这是使用可纠错的量子位进行量子信息处理的一个里程碑。”

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%

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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,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。

此研究发表在9月5日的《自然》期刊网络版上

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论文摘要

编辑:Peter,戴青

量子计算机有可能有效地解决传统计算机难以处理的问题。然而,由于现实世界量子系统中固有的误差和噪声,构建大规模量子处理器的挑战性很高。

参考:

解决这一挑战的一种方法是利用模块化策略,这是一种在自然界和工程领域中构建复杂系统时经常使用的策略。模块化方法将小型专用组件组装到更大的架构中,来管理复杂性和不确定性都很高的系统。

这推动了量子模块化架构的发展,在模块化量子架构中,单独的量子系统可以通过信道连接到量子网络中。在这种架构中,通用量子计算的基本工具是纠缠量子门的“传送”,但迄今为止,这种远距离传送还没有被实现为确定性操作。

现在,研究人员通过实验传送了CNOT门,使用实时自适应控制将传送操作确定下来。此外,我们在两个逻辑量子位之间设置量子门,在超导腔的状态下冗余编码量子信息,朝着实现稳健、可纠错的模块化迈出了关键一步。

通过这种可纠错编码,我们的传送量子门实现了79%的过程保真度。传送量子门对容错量子计算起着重大作用,在网络中实现时,可以在量子通信,计量和模拟中具有广泛的应用。

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如果模块化量子门传送可以和量子纠错协议进行集成,那么模块化量子架构可能成为未来可容错量子计算的很有前途的方法。

责任编辑:

论文地址:

Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits

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