中國研究團隊成功實現 13 量子比特真正纏繞，無需摧毀光子

量子計算機有望解決目前傳統計算機無法處理的問題，但要使足夠的量子位元協同工作仍然是一大挑戰。近日，中國研究小組在一項新研究中展示瞭如何將小型糾纏微波光子組合成更大、可編程的量子網絡，而不會在連接過程中摧毀光子。他們成功展示了在 13 個光子量子位元之間的真正糾纏，為更具可擴展性的量子計算和通信系統鋪平了道路。這一挑戰在於如何可靠地建立這些連接。量子位元（qubits）可以通過糾纏進行連接，這是一種量子現象，其共享狀態無法獨立描述。

科學家可以將這些連接安排成稱為圖狀態的結構，這些結構充當量子計算和通信的資源。清華大學的量子研究員張宏毅表示：「大型光子圖狀態是量子通信、量子網絡和基於測量的量子計算的重要資源。」

連接小型糾纏狀態的一種方法是通過融合過程，將它們結合形成更大的狀態。然而，傳統的線性光學系統中使用的融合方法通常是概率性的，這意味著某些嘗試會失敗。重複嘗試和額外的硬件會使建立更大狀態變得愈加困難。研究小組介紹了一種策略，利用超導電路將小型糾纏的微波光子組合在一起。該方法並非在單一過程中創建一個巨大的糾纏狀態，而是通過連接較小的預備狀態來構建更大的網絡。這一方法的關鍵在於一種稱為量子非破壞性測量的技術。

量子非破壞性測量技術

與會吸收或摧毀光子的測量不同，這種方法可以在保留光子的同時提取資訊。在這次實驗中，測量也改變了配對的共同量子狀態，使研究人員能夠連接較小的圖狀態。張宏毅表示：「我們探討了是否可以通過使用量子非破壞性測量來實現確定性的融合。我們的目標是展示一種確定性、可編程的融合操作，並證明它能為組裝更大、可重構的光子圖狀態提供實用的途徑。」

研究人員首先利用超導電路生成小型糾纏的微波光子組。它們在光子的不同時間槽中編碼量子資訊，使資訊能夠在不同到達時間中傳遞。然後，他們使用量子非破壞性檢測器測量選定的光子對，並將其投影到一種特定的糾纏狀態，稱為貝爾狀態。這使得較小的圖狀態可以在不摧毀光子的情況下連接。接著，通過調整光子的頻率（也稱為頻率調諧），研究人員可以選擇哪些對進行測量，控制較小的圖狀態如何連接形成更大的圖狀態。

這使得融合過程可編程。團隊還結合了超導量子位的主動重置和重用，以及內置的錯誤緩解，幫助限制由於與環境互動而導致的量子特性衰減的影響。通過這種方法，研究人員展示了在 13 個光子量子位元之間的真正多方糾纏。這意味著糾纏擴展至整個組而非限於孤立的小組。這一成就表明，融合過程可以產生更大、可重構的光子圖狀態。張宏毅表示：「我們的主要貢獻是一種確定性、可編程且不破壞的融合操作。」

大型光子圖狀態的應用

大型光子圖狀態可以支持基於測量的量子計算，在這種計算中，計算是通過對糾纏狀態進行精心選擇的測量來執行的。它們還可以推進量子網絡和量子錯誤糾正方案，旨在保護量子資訊免受錯誤的影響。張宏毅解釋道：「這項工作提供了一種通過連接較小的按需資源狀態來擴展光子圖狀態的架構。這與未來的基於測量的量子計算、量子網絡以及潛在的量子錯誤糾正方案有關，因為圖狀態的大小和連接性都至關重要。」

然而，展示 13 個量子位元之間的糾纏並不等同於構建一個實際的大規模量子計算機。該系統仍需在設備的準確性、光子生成效率和探測器性能等方面進行改進。因此，研究人員現在計劃開發多檢測器架構，以執行更多的融合操作並生成更大、更複雜的圖狀態。這一方法是否能夠在保持所需性能的同時高效擴展仍有待觀察。該研究已發表在《自然物理學》期刊上。

實現可擴展量子計算的關鍵突破

中國研究團隊的成功展示了量子計算領域的一個重要進展，特別是在量子位元之間的糾纏技術上。透過量子非破壞性測量，研究人員能夠在不損壞光子的情況下進行信息的提取和處理，這對於未來的量子計算和通信系統至關重要。大型光子圖狀態的建立不僅能推進量子計算的效率，還能增強量子網絡的穩定性和可靠性。隨著技術的進一步發展，這項研究可能為實現更大規模的量子計算機鋪平道路，並解決當前技術面臨的挑戰。