研究人员展示了量子门的“传送”

时间：2021-08-08 16:52:06 来源：

a，模块化量子体系结构的网络概述。模块被表示为量子网络的节点，并由数据量子位（品红色）和通信量子位（青色）组成。模块之间的耦合是通过可重新配置的通信通道生成的，该通道可以启用（暗紫色线）或禁用（浅紫色线）。b，Quantum模块。每个模块都装有一个小型量子处理器，该处理器能够在数据量子位和通信量子位之间进行高保真操作。在我们的实验中，我们创建了两个模块，每个模块由一个数据量子位（D1和D2）和一个通信量子位（C1和C2）组成。c，D1和D2之间的瞬态CNOT电路。传送的CNOT电路需要：（1）C1和C2之间的纠缠（紫色弯曲），（2）局部操作，（3）ZˆZˆbasis中的C1和XˆXˆbasis中的C2的测量，其中

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“> XˆXˆ和ZˆZˆ是Pauli运算符，以及（4）经典通信（双线）和前馈运算。d，在三维电路-量子-电动力学实现中的实验实现（示意图顶视图）。每个模块都包含一个定义为同轴四分之一波长（/ 4）三维腔（品红色）的λ数据量子位，定义为Y形transmon量子位（青色）的通信量子位和经过赛尔滤波的准平面， / 2条带状线λ读出谐振器（黑色）。在此实验中，两个模块通过实现为同轴/ 4三维腔（紫色）的附加λ模式链接，该附加模式用作总线模式。自然，2018。

耶鲁大学的研究人员展示了构建模块化量子计算机体系结构的关键步骤之一：按需“传送”两个量子位之间的量子门。研究结果于9月5日在线发表在《自然》杂志上。

这项新工作背后的关键原理是量子隐形传态，这是量子力学的独特功能，以前曾被用来在两方之间传输未知的量子态，而无需实际发送状态。耶鲁大学的研究人员使用1990年代开发的理论协议，实验证明了量子操作或“门”，而无需依赖任何直接相互作用。对于依赖于独立量子系统网络的量子计算来说，这种门是必不可少的。许多研究人员说，这种架构可以抵消量子计算处理器固有的误差。

通过耶鲁量子研究所，由首席研究员罗伯特·斯科尔科普夫（Robert Schoelkopf）和前研究生凯文·周（Kevin Chou）领导的耶鲁研究团队正在研究量子计算的模块化方法。研究人员说，从生物细胞的组织到最新的SpaceX火箭的引擎网络等所有事物中都发现了模块化，这已被证明是构建大型复杂系统的强大策略。量子模块化架构由一组模块组成，这些模块充当连接到较大网络的小型量子处理器。

此体系结构中的模块彼此之间具有自然隔离，从而减少了通过大型系统的不必要的交互。研究人员称，这种隔离也使模块之间的执行操作成为一个明显的挑战。传送门是一种实现模块间操作的方法。

Chou表示：“我们的工作首次证明了该协议可以实时进行经典通信，从而使我们能够执行每次都能执行所需操作的'确定性'操作。”

完全有用的量子计算机有可能达到比当今超级计算机快几个数量级的计算速度。耶鲁大学的研究人员处于开发第一个完全有用的量子计算机的最前沿，并且在超导电路的量子计算领域做出了开创性的工作。

量子计算是通过称为qubit的精密数据位完成的，这些数据很容易出错。在实验量子系统中，“逻辑”量子位由“辅助”量子位监控，以便立即检测和纠正错误。Schoelkopf说：“我们的实验也是对逻辑量子位之间的两个量子位运算的首次演示。”“这是使用可纠错量子比特进行量子信息处理的里程碑。”

该研究的共同作者是耶鲁大学的现任和前任研究生雅各布·布鲁姆（Jacob Blumoff），克里斯托弗·王（Christopher Wang），菲利普·赖因霍尔德（Philip Reinhold），克里斯托弗·阿克斯林（Christopher Axline）和高伊冯（Yvonne Gao）。高级研究科学家Luigi Frunzio；还有Michel Devoret和Liang Jiang教授。

陆军研究办公室和海军研究办公室为这项工作提供了支持。

出版物：Kevin S. Chou等人，“两个逻辑量子位之间的量子门的确定性隐形传态”，《自然》（2018年）

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