能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員對量子信息編碼的光子進(jìn)行了新的控制。他們的研究成果發(fā)表在Optica上。
ORLL量子信息科學(xué)集團(tuán)的研究科學(xué)家Joseph Lukens、布萊恩威廉斯、Nicholas Peters和Pavel Lougovski對編碼在不同頻率光子上的兩個量子比特同時進(jìn)行了獨特的獨立運(yùn)算，這是線性光學(xué)量子計算的關(guān)鍵能力。量子比特是量子信息的最小單位。
使用頻率編碼量子比特的量子科學(xué)家已經(jīng)能夠在兩個量子比特上并行執(zhí)行單個操作，但是這對于量子計算來說還不夠。Lougovski說：“要實現(xiàn)通用量子計算，你需要能夠同時操作不同的量子比特，這就是我們在這里做的事情。
根據(jù)Lougovski的說法，該團(tuán)隊的實驗系統(tǒng)——單根光纖電纜中包含兩個糾纏光子——是“你能想象到的最小的量子計算機(jī)”。本文標(biāo)志著我們基于頻率的一般量子方法的首次證明計算。盧肯斯說：“許多研究人員都在談?wù)撌褂霉庾舆M(jìn)行量子信息處理，甚至使用頻率?！暗珱]有人想到通過同一空間的同一光纖束發(fā)送多個光子，并以不同的方式操作它們?！痹搱F(tuán)隊的量子頻率處理器允許他們操縱光子的頻率來實現(xiàn)疊加，這是一種能夠進(jìn)行量子操作和計算的狀態(tài)。與為經(jīng)典計算編碼的數(shù)據(jù)位不同，以光子頻率編碼的疊加量子位的值為0和1，而不是0或1。這種能力允許量子計算機(jī)在比今天的超級計算機(jī)更大的數(shù)據(jù)集上同時執(zhí)行操作。
使用他們的處理器，研究人員證明了97%的干涉可見度——兩個光子之間相似性的度量——與類似研究中返回的70%的可見度進(jìn)行了比較。他們的結(jié)果表明光子的量子態(tài)實際上是相同的。研究人員還應(yīng)用了與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的統(tǒng)計方法來證明操作是以非常高保真和完全可控的方式完成的。威廉姆斯說：“我們可以使用貝葉斯推斷來提取更多關(guān)于我們實驗系統(tǒng)量子狀態(tài)的信息，而不是使用更常見的統(tǒng)計方法?！斑@項工作代表著我們團(tuán)隊的過程第一次回到了實際的量子結(jié)果?！?
威廉姆斯指出，他們的實驗裝置提供了穩(wěn)定性和控制力。“當(dāng)光子在裝置中走不同的路徑時，它們會經(jīng)歷不同的相位變化，這將導(dǎo)致不穩(wěn)定，”他說?！爱?dāng)它們通過相同的設(shè)備時，在這種情況下是纖維鏈，你有更好的控制。”
穩(wěn)定性控制可以實現(xiàn)量子操作，從而保護(hù)信息，減少信息處理時間，提高能效。研究人員將他們正在進(jìn)行的項目(從2016年開始)與要連接在一起實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的構(gòu)件進(jìn)行比較。“在采取下一個更復(fù)雜的步驟之前，你必須采取一些步驟，”彼得斯說。“我們之前的項目專注于開發(fā)基本功能，因此我們現(xiàn)在可以在具有完整量子輸入狀態(tài)的完整量子域中工作?！盠ukens說，該團(tuán)隊的結(jié)果表明，“我們可以控制量子比特的量子狀態(tài)，改變它們的相關(guān)性，并使用標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)以適合推進(jìn)量子計算的方式對它們進(jìn)行修改?！?
他補(bǔ)充說，一旦量子計算機(jī)的所有構(gòu)件都就位，“我們就可以開始連接量子設(shè)備來構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，這是下一個令人興奮的步驟?！睆某売嬎銠C(jī)到超級計算機(jī)，處理信息的方式多種多樣，反映了不同的開發(fā)者和工作流程優(yōu)先級，量子設(shè)備也會以不同的頻率運(yùn)行。這將使連接它們具有挑戰(zhàn)性，因此它們可以像今天的計算機(jī)一樣在互聯(lián)網(wǎng)上交互。這項工作是該團(tuán)隊先前在標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)中展示量子信息處理能力的延伸。此外，他們表示，利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行量子計算是可行的：已經(jīng)投入了數(shù)十億美元，量子信息處理代表了一種新的用途。
研究人員表示，他們工作的“完整周期”非常令人滿意。Lukens說：“我們一起開始了我們的研究，希望探索將標(biāo)準(zhǔn)電信技術(shù)用于量子信息處理，我們發(fā)現(xiàn)我們可以回到經(jīng)典領(lǐng)域并對其進(jìn)行改進(jìn)。盧肯斯、威廉姆斯、彼得斯和洛夫斯基與普渡大學(xué)的研究生宣盧浩和他的顧問安德魯韋納合作。本研究得到了ORNL實驗室指導(dǎo)的研發(fā)計劃的支持。
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