耶魯大學研究人員發現了構建模塊化量子計算機架構的關鍵步驟之一：在兩個量子位之間實現量子門的“傳送”，而非依賴任何直接的相互作用。量子門是單量子系統網絡計算中必不可少的架構，研究人員認為該架構有望消除量子計算處理器中的固有錯誤。

耶魯大學的研究人員發現，構建模塊化量子計算機架構的關鍵步驟之一：根據需要在兩個量子位之間放置“遠距傳送”的量子門。

該研究成果發表在9月5日《自然》期刊網絡版上。

這項新研究背后的關鍵就是量子傳送，這是量子力學的一個獨有特征，人們過去曾將其用于在通信雙方之間傳輸未知的量子態，而無需真正發送狀態本身。

耶魯大學的研究人員通過實驗，使用上世紀90年代的理論證明了在兩個量子位之間實現量子門的“傳送”，是構建未來量子計算機架構的關鍵步驟之一，而非依賴于任何直接的相互作用。

這種量子門是基于單量子系統網絡的量子計算所必需的架構。許多研究人員認為，這種架構可以抵消量子計算處理器中的固有錯誤。

該研究中模塊化量子結構的網絡示意圖

由耶魯大學量子研究所首席研究員Robert Schoelkopf和他的學生Kevin Chou等人組成的研究團隊正在研究量子計算的模塊化方法。

研究人員表示，從最新的SpaceX公司的火箭中的生物細胞組織，到移動網絡等各個行業，都可以應用這種方法。模塊化方法已被證明是構建大型復雜系統的有效策略。

量子模塊化體系結構由一組模塊組成，這些模塊可供連接到更大型網絡中的小型量子處理器使用。

這一體系結構中的模塊彼此之間處于自然隔離狀態，從而簡化了通過大型系統帶來的不必要的交互過程。研究人員表示，這種隔離狀態也讓模塊間操作成為一項獨特的挑戰。而傳送則是實現模塊間操作的一種方式。

確定性的量子傳送CNOT門示意圖

量子計算機的計算速度有可能比現有的超級計算機快幾個數量級。現在，耶魯大學的研究人員處于開發第一批完全可用的量子計算機的前沿階段，并在超導電路的量子計算方面做出了開創性的工作。

量子計算是通過名為“量子位”的精細數據位完成的，這些數據很容易出錯。在實驗性的量子系統中，“邏輯”量子位由“輔助”量子位監視，以便立即檢測和糾正錯誤。 “我們的實驗也是邏輯量子位之間兩量子位運算的首次演示，”Schoelkopf表示。 “這是使用可糾錯的量子位進行量子信息處理的一個里程碑。”

此研究發表在9月5日的《自然》期刊網絡版上

論文摘要

量子計算機有可能有效地解決傳統計算機難以處理的問題。然而，由于現實世界量子系統中固有的誤差和噪聲，構建大規模量子處理器的挑戰性很高。

解決這一挑戰的一種方法是利用模塊化策略，這是一種在自然界和工程領域中構建復雜系統時經常使用的策略。模塊化方法將小型專用組件組裝到更大的架構中，來管理復雜性和不確定性都很高的系統。

這推動了量子模塊化架構的發展，在模塊化量子架構中，單獨的量子系統可以通過信道連接到量子網絡中。在這種架構中，通用量子計算的基本工具是糾纏量子門的“傳送”，但迄今為止，這種遠距離傳送還沒有被實現為確定性操作。

現在，研究人員通過實驗傳送了CNOT門，使用實時自適應控制將傳送操作確定下來。此外，我們在兩個邏輯量子位之間設置量子門，在超導腔的狀態下冗余編碼量子信息，朝著實現穩健、可糾錯的模塊化邁出了關鍵一步。

通過這種可糾錯編碼，我們的傳送量子門實現了79％的過程保真度。傳送量子門對容錯量子計算起著重大作用，在網絡中實現時，可以在量子通信，計量和模擬中具有廣泛的應用。

如果模塊化量子門傳送可以和量子糾錯協議進行集成，那么模塊化量子架構可能成為未來可容錯量子計算的很有前途的方法。