欧洲团队展示了光量子计算的通用性和可扩展性

光子盒研究院出品

长期以来，光量子计算机一直被超导技术的光芒所掩盖，而超导技术被IBM和谷歌等科技巨头的大规模开发项目所加速。但是情况正在发生变化，丹麦科技大学(DTU)物理基础研究中心bigQ的研究人员进行了一系列开创性的项目。

在一篇7月8日发表的《自然·物理学》(Nature Physics)论文中，DTU的研究人员已经实现了光量子计算机的完整平台。该平台具有通用性和可扩展性，所有操作都在室温下进行，并且与标准光纤网络直接兼容。

近几年在开发完全可编程的量子计算平台方面取得的显著进展，催生了量子信息科学领域的大量突破性成果，特别是离子阱和超导技术。然而目前实现的基于量子比特的量子计算平台在规模上仍然受到很大的限制，而提出的扩展方法也受到重大技术挑战的阻碍。

还有一种选择是连续变量(CV)光子平台，由于其在基于测量的量子计算(MBQC)中已被证明的可扩展性潜力，最近引起了人们的兴趣，例如，中科大的九章1.0和九章2.0在“高斯玻色取样”任务中实现量子计算优越性。

在CV量子计算中，信息在玻色子谐振子中进行编码和处理，例如由无限维希尔伯特空间中的状态描述的光场。在CV模型中，处理信息的基本单元是一个无限维的玻色子模式，我们称之为量子模式(qumode)。

尽管使用CV进行量子计算的想法可以追溯到20多年前，但直到过去几年才构想出适用于容错大规模CV MBQC的可行模型。现在，丹麦科技大学(DTU)的研究朝着这些CV计算模型迈出了关键一步，演示了第一个实现完全确定性和可编程的多模式MBQC计算平台。

在CV MBQC中，量子信息处理通过计算通用的隐形传态(团簇态)构成门来实现，这些团簇态包括二维网格中的正交纠缠模式。对于高斯门(CV通用门分为高斯门和非高斯门)，隐形传态协议通过团簇态模式的正交测量来实现，其中所确定的门或门序列被完全编程到正交测量的相位中。

如下图所示，研究人员通过从软件到硬件的不同操作层说明了团簇态量子计算机的可重构和可编程性质。第一步，量子算法被指定，然后分解为确定序列的单模式门和双模式门，例如旋转门、错切门、压缩门和受控Z门(CZ门)。这个门序列然后被转换成一个相位序列，最终控制连续的正交测量，从而影响量子算法对团簇态的影响。

通过对输入和团簇态模式的投影测量，将量子处理(QPU)中的量子线路分解为在团簇态上实现的门。

在硬件级别，量子处理器(QPU)包括通过将压缩光（由波长为1550nm的光学参量振荡器(OPO)产生）注入到两个连续的高度不对称的光纤Mach-Zehnder干涉仪的装置中，生成时间编码纠缠模式的2D团簇态，如下图所示。

实验装置在量子信息被编码的逻辑层产生一个盘绕的1D团簇态。一个−π/4的相移将生成的H图态转换为团簇态。计算在逻辑层进行，使用由分束器(BS₃)和两个零差探测器(HD_A和HD_B)组成的双模式测量装置(MD)，基本设置由任意波形发生器(AWG)驱动的电光调制器(EOM)控制。使用数字存储示波器(DSO)获取测量结果。

具有τ延迟的第一个干涉仪产生具有两个空间模式(A和B)的时间编码的1D团簇态，而具有Nτ延迟的第二个干涉仪将1D团簇态绕成圆柱体，形成2D团簇态，如下图所示。团簇态的计算逻辑层恰好位于第二个干涉仪终止之前。图中每个节点对应于不同时间模式k中的空间模式A和B，持续时间τ，圆柱体周长上的时间模式数为N。

研究人员选择了50米和600米的光纤干涉仪延迟，时间模式持续时间τ≈ 250纳秒，N=12。

通过测量控制模式，将团簇态投影到导线上，在导线上通过门隐形传态实现单模式门和双模式门。

研究人员实现了三个单模式门，旋转门Rˆ(θ)、改进的错切门Fˆ^jPˆ(σ)、压缩门Sˆ(e^r)。

在此基础上，{Rˆ(θ)，Sˆ(e^r)}构成了一个通用的单模式高斯门集合，而{Rˆ(π/2)，Fˆ^jPˆ(1)}构成了一个基于GKP编码量子比特的通用的单模式Clifford门集合。

然后，研究人员实现了一个双模式门，即CZ门的改进版本(Fˆ⊗Fˆ^j)Cˆ_Z(g)。

与所实现的单模式门一起，{(Fˆ⊗Fˆ^j)Cˆ_Z(g)，Rˆ(θ)，Sˆ(e^r)}构成通用多模式高斯门集，而{(Fˆ⊗Fˆ^j)Cˆ_Z(1)，Rˆ(π/2)，Fˆ^jPˆ(1)}构成GKP编码量子比特的通用的多模式Clifford门集合。

注：Fˆ等符号实则为。

他们通过将12个门(10个单模式门和2个模式门)组合成一个简单的量子线路来说明其计算灵活性。单模式门和双模式门可以在团簇态的6个输入模式上按任意顺序组织，从而有可能实现无限深度的任意6模式线路变换。

目前演示的平台仅限于6模式线路，但由于其固有的确定性，该平台可以有效地扩展以允许大规模计算。这可以通过增加光压缩过程的带宽并用宽带零差探测器来实现。由于可实现数GHz的带宽，因此可将输入模式的数量增加到数千个，使平台很好地进入NISQ阶段。

此外，由于该平台的电信兼容性，多个处理单元可以直接组合和扩展，而不需要复杂的量子转换。更一般地，这里用于构造和扩展光团簇态的全时间编码，可以使用光谱和空间自由度代替。

这项研究的第一作者兼通讯作者Mikkel Vilsbøll Larsen表示：“我们展示的一系列通用门至关重要。因为它意味着，只要有正确的输入，任意算法都可以在我们的平台上实现。计算机是完全可编程的。”

bigQ项目负责人Ulrik Andersen教授表示：“这是我们刚刚发表的一项重要研究成果，我们为此感到自豪。但我们的雄心远不止于此。长期目标是一台容错通用量子计算机，能够解决相关问题。”

他们将纠错的希望寄托在GPK态之上，这是由Gottesman、Kitaev、Preskill提出的一种纠错方案。“为了在我们的平台上实现容错的通用量子计算，必须显著降低门噪声，并且必须将量子信息编码为量子比特，例如GKP量子比特。我们将通过增加团簇态的压缩量来降低门噪声，利用GKP辅助态进行量子纠错来防止噪声的积累，从而达到容错的目的。”

目前，GKP态已经在囚禁离子的振动模式和微波腔场中生成，但是在光谱中生成它们仍然是一个挑战。一旦这个挑战被解决，容错、通用、可扩展量子计算将成为可能。

参考链接：

[1]https://www.dtu.dk/english/news/Nyhed?id={896D1F03-4039-4F20-874A-A9471F6B6645}&utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news

[2]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01296-y

—End—

相关阅读：

#光子盒社群招募中#

进入光子盒社群，与我们近距离互动，了解量子领域更多产业、商业、科技动态，领取量子技术产业报告。

现添加社群助手微信Hordcore即可进群 ，与我们一起展望未来！

你可能会错过：