近期，牛津大學(xué)研究團隊在Nature發(fā)表最新研究成果，通過光子網(wǎng)絡(luò)接口，他們成功將兩個獨立的量子處理器連接成一臺完全互聯(lián)的量子計算機，為解決此前無法攻克的計算難題鋪平了道路。研究團隊通過實驗展示了兩個光子互連的離子模塊間的分布式量子計算，在兩米的距離上實現(xiàn)了確定性的量子門傳送。并在此基礎(chǔ)上運行了Grover搜索算法，成功率為71%。
▲研究論文以《通過光網(wǎng)絡(luò)鏈路實現(xiàn)分布式量子計算（Distributed quantum computing across an optical network link）》為題，發(fā)表于《自然》雜志。
量子計算可以處理復(fù)雜的計算任務(wù)，速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計算機，擁有革命性的潛力。而這一潛力實現(xiàn)的關(guān)鍵，在于是否能制造出更強大的量子計算機。一臺足以顛覆行業(yè)的量子計算機需能處理數(shù)百萬個量子比特，但如何精確控制和連接量子比特，是一個重要難題。任何微小的誤差都可能導(dǎo)致量子計算結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，量子比特易受環(huán)境影響，相干時間有限，在它失去量子特性之前，必須完成計算任務(wù)。
為此，牛津大學(xué)研究團隊提出了一種創(chuàng)新的分布式量子計算架構(gòu)，通過連接小型量子設(shè)備，使計算任務(wù)分布至網(wǎng)絡(luò)中完成。該實驗的原理類似傳統(tǒng)超級計算機：通過連接小型計算機實現(xiàn)超越單一單元的性能。此策略既避免了在單一設(shè)備中集成海量量子比特的工程難題，又保留了量子計算所需的精密特性。理論上，網(wǎng)絡(luò)中可連接的處理器數(shù)量沒有上限。[1]
▲圖：分布式量子計算架構(gòu)
這一可擴展架構(gòu)基于模塊化設(shè)計，每個模塊僅包含少量離子阱量子比特。它們通過光纖互聯(lián)，利用光子而非電信號傳輸數(shù)據(jù)。光子鏈路使不同模塊的量子比特實現(xiàn)糾纏，并通過量子隱形傳態(tài)跨模塊執(zhí)行量子計算。
本研究首次展示了量子門在光網(wǎng)絡(luò)中的跨模塊傳輸。光子鏈路賦予了系統(tǒng)靈活性，可在不破壞整體架構(gòu)的情況下升級或替換模塊。研究人員表示，這為未來“量子互聯(lián)網(wǎng)”奠定了基礎(chǔ)——遠(yuǎn)程處理器可形成超安全網(wǎng)絡(luò)，支持通信、計算與傳感。
論文第一作者、牛津大學(xué)物理系杜格爾·梅因（Dougal Main）解釋道：“我們的工作通過量子隱形傳態(tài)在遠(yuǎn)程系統(tǒng)間建立相互作用。通過精確調(diào)控這些相互作用，我們能在不同量子計算機的量子比特間執(zhí)行量子門。這一突破使多個量子處理器可“無縫互聯(lián)”，形成一臺完全集成的量子計算機。”
通過對不同輸入態(tài)進行量子門操作和量子態(tài)層析，研究人員測試了這套量子門傳送方法的保真度：
傳送CNOT門的保真度為86.2%，略低于理論極限；
傳送iSWAP門的保真度為70%，需要2次量子門傳送；
傳送SWAP門的保真度為64%，需要3次量子門傳送。
實驗生成的糾纏態(tài)保真度為96.89%，這標(biāo)志著量子糾纏在分布式量子計算中的穩(wěn)定性和可靠性得到了驗證。
在此基礎(chǔ)上，研究人員還構(gòu)建了基于量子門傳送的分布式量子線路，成功運行了Grover搜索算法。Grover算法是一種量子搜索算法，可在未排序的數(shù)據(jù)庫中以平方級加速找到特定目標(biāo)。 在實驗中，他們使用兩個相距兩米的量子模塊來實現(xiàn)Grover算法，在無序的數(shù)據(jù)集中以遠(yuǎn)超經(jīng)典計算里的速度搜索特定目標(biāo)。對于四個可能的搜索項，他們能夠以71%的平均成功率找到目標(biāo)項，這一結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典算法的平均查詢次數(shù)。
該研究不僅證明了分布式量子計算的可行性，還為未來構(gòu)建更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實基礎(chǔ)，有望成為實現(xiàn)大規(guī)模容錯量子計算的關(guān)鍵技術(shù)。研究負(fù)責(zé)人、牛津大學(xué)物理系教授大衛(wèi)·盧卡斯（David Lucas）表示，基于現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化分布式量子信息處理是可行的。但擴展量子計算機仍面臨巨大挑戰(zhàn)，未來數(shù)年內(nèi)需要物理學(xué)和工程學(xué)的大量努力。
[1]內(nèi)容來自：牛津大學(xué)實驗室官方報道https://www.physics.ox.ac.uk/news/paving-way-quantum-supercomputers
論文鏈接：
編譯：詩學(xué)
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