- 中国研究小组成功展示了 13 个光子量子位元之间的真正纠缠。
- 研究人员利用量子非破坏性测量技术进行光子连接。
- 这一成就为可编程的量子计算和通信系统铺平了道路。
- 大型光子图状态可支持量子计算和量子纠错方案。
量子计算机有望解决目前传统计算机无法处理的问题，但要使足够的量子位元协同工作仍然是一大挑战。近日，中国研究小组在一项新研究中展示了如何将小型纠缠微波光子组合成更大、可编程的量子网络，而不会在连接过程中摧毁光子。他们成功展示了在 13 个光子量子位元之间的真正纠缠，为更具可扩展性的量子计算和通信系统铺平了道路。这一挑战在于如何可靠地建立这些连接。量子位元（qubits）可以通过纠缠进行连接，这是一种量子现象，其共享状态无法独立描述。
科学家可以将这些连接安排成称为图状态的结构，这些结构充当量子计算和通信的资源。清华大学的量子研究员张宏毅表示：“大型光子图状态是量子通信、量子网络和基于测量的量子计算的重要资源。”
连接小型纠缠状态的一种方法是通过融合过程，将它们结合形成更大的状态。然而，传统线性光学系统中使用的融合方法通常是概率性的，这意味着某些尝试会失败。重复尝试和额外的硬件会使建立更大状态变得愈加困难。研究小组介绍了一种策略，利用超导电路将小型纠缠的微波光子组合在一起。该方法并非在单一过程中创建一个巨大的纠缠状态，而是通过连接较小的预备状态来构建更大的网络。这一方法的关键在于一种称为量子非破坏性测量的技术。
量子非破坏性测量技术
与会吸收或摧毁光子的测量不同，这种方法可以在保留光子的同时提取信息。在这个实验中，测量也改变了配对的共同量子状态，使研究人员能够连接较小的图状态。张宏毅表示：“我们探讨了是否可以通过使用量子非破坏性测量来实现确定性的融合。我们的目标是展示一种确定性、可编程的融合操作，并证明它能为组装更大、可重构的光子图状态提供实用的途径。”
研究人员首先利用超导电路生成小型纠缠的微波光子组。它们在光子的不同时间槽中编码量子信息，使信息能够在不同到达时间中传递。然后，他们使用量子非破坏性探测器测量选定的光子对，并将其投影到一种特定的纠缠状态，称为贝尔态。这使得较小的图状态可以在不摧毁光子的情况下连接。接着，通过调整光子的频率（也称为频率调谐），研究人员可以选择哪些对进行测量，控制较小的图状态如何连接形成更大的图状态。
这使得融合过程可编程。团队还结合了超导量子位的主动重置和重用，以及内置的误差缓解，帮助限制由于与环境相互作用而导致的量子特性衰减的影响。通过这种方法，研究人员展示了在 13 个光子量子位元之间的真正多方纠缠。这意味着纠缠扩展至整个组而非限于孤立的小组。这一成就表明，融合过程可以产生更大、可重构的光子图状态。张宏毅表示：“我们的主要贡献是一种确定性、可编程且不破坏的融合操作。”
大型光子图状态的应用
大型光子图状态可以支持基于测量的量子计算，在这种计算中，计算是通过对纠缠状态进行精心选择的测量来执行的。它们还可以推进量子网络和量子纠错方案，旨在保护量子信息免受错误的影响。张宏毅解释道：“这项工作提供了一种通过连接较小的按需资源状态来扩展光子图状态的架构。这与未来的基于测量的量子计算、量子网络以及潜在的量子纠错方案有关，因为图状态的大小和连接性都至关重要。”
然而，展示 13 个量子位元之间的纠缠并不等同于构建一个实际的大规模量子计算机。该系统仍需在设备的准确性、光子生成效率和探测器性能等方面进行改进。因此，研究人员现在计划开发多探测器架构，以执行更多的融合操作并生成更大、更复杂的图状态。这一方法是否能够在保持所需性能的同时高效扩展仍有待观察。该研究已发表在《自然物理学》期刊上。
实现可扩展量子计算的关键突破
中国研究团队的成功展示了量子计算领域的一个重要进展，特别是在量子位元之间的纠缠技术上。通过量子非破坏性测量，研究人员能够在不损坏光子的情况下进行信息的提取和处理，这对于未来的量子计算和通信系统至关重要。大型光子图状态的建立不仅能推进量子计算的效率，还能增强量子网络的稳定性和可靠性。随着技术的进一步发展，这项研究可能为实现更大规模的量子计算机铺平道路，并解决当前技术面临的挑战。