中科大校友范汕洄教授提出了一种可扩展的光量子计算机架构

光子盒研究院出品

光子作为量子信息处理的基础提供了独特的优势，例如相干时间长、室温运行、适用于量子通信，但也带来了基本的可扩展性挑战。非确定性方案会带来大量资源开销，而确定性方案需要大量相同的量子发射器才能实现大规模的量子电路。

现在，根据11月29日发表在Optica上的一篇论文，斯坦福大学工程学院教授范汕洄领导的研究团队提出了一种可扩展的光量子计算机架构，它只用最少的量子资源来实现任何量子电路：单个相干控制的原子。光开关通过调制光子-原子耦合，赋予光子量子态合成的时间维度。应用于原子量子比特的量子操作可以通过投影测量隐形传态到光子量子比特上，并且可以将任意量子电路编译成这些隐形传态操作的序列。

这种设计不需要将许多相同的量子发射器集成到光子电路中，并允许光子量子比特之间有效的全连接。所提出器件的尺寸不受量子电路深度的影响，不需要单光子探测器，确定性地运行，即使在存在实验缺陷的情况下也具有高保真度。

本文的通讯作者范汕洄教授是美国物理学会会士、国际电子电气工程师学会会士、国际光学工程学会会士、美国光学学会会士。范汕洄中学毕业于广东省实验中学，1988年考入中国科学技术大学少年班系教学改革试点班(零零班)，1992年进入麻省理工学院攻读物理学，并于1997年获得博士学位。范汕洄现任斯坦福大学工程学院教授。

范汕洄教授

光子为量子信息处理提供了许多优势，例如光学量子比特具有非常长的相干时间，量子态可在室温下运行，并且是量子通信的最佳选择。

目前所有量子计算架构面临的主要困难是可扩展性，对于光子系统来说尤其如此。光学量子比特必须传播，所以必须在飞行途中通过顺序光学元件传递光子来进行处理。

由于光子量子门是物理对象(与用于原子量子比特的顺序激光脉冲相反)，机器尺寸随着电路深度而变化，使得复杂的量子电路大得无法想象，即使使用紧凑的集成光子学也无法实现。

进一步限制光量子计算机可扩展性的是将许多高保真多光子门集成到光路中的困难。这对于非确定性门方案和基于确定性散射的方法都是一个问题，前者由于门成功概率低给容错操作带来巨大的资源开销。虽然基于散射的双光子门可以高保真地单独实现，但实现大规模量子电路需要大量相同的量子发射器，由于均匀和非均匀展宽导致固态量子发射器的不可分辨性较差，这一问题变得更加严重。因此，一种仅使用单个量子发射器来实现量子电路中所有门的量子计算机架构将大大提高基于散射的光量子计算的可扩展性和实验可行性。

在本文中，研究人员利用了合成维度(synthetic dimension)的概念。合成维度最近引起了人们对探索光子学中拓扑物理的极大兴趣，但尚未广泛应用于量子光子系统。

为了形成一个合成维度，人们设计系统状态之间的耦合，通过重新利用通常的几何维度，如空间和时间，或利用内部自由度来增加这些维度，如频率、自旋、轨道角动量。

由于合成维度内状态之间的耦合可以动态地重新配置，并且不会被物理结构固定，因此可以可扩展地实现具有复杂连接性的格。这允许单个量子发射器在合成空间中操纵多个光子量子比特，而不需要空间上分离的结构。

本文中提出的设计包括一个耦合到包含单个相干控制原子量子比特的腔的光纤环。光开关通过允许反向循环光子态之间的耦合，赋予这些光子态合成的时间维度。

该团队通过将光子散射到原子上，随后旋转并投影测量原子态，可以将操作隐形传态到光子量子比特上；可以组合这些操作来确定性地构建任何量子电路。通过顺序地将原子态与每个光子量子比特交换，可以在不需要单光子探测器的情况下执行光子量子态的读出。

本文中描述的光量子计算机架构。(a)光子量子比特通过光纤存储环反向传播，光开关可以选择性地引导光子通过散射单元，与激光相干控制的腔中的原子相互作用。(b)原子的能量结构：Ω1与腔模和光子载波频率共振，而Ω0是远失谐的。

本文中的设计包括两个主要部分：存储环和散射单元。存储环的功能类似于普通计算机中的存储器，这是一个容纳多个光子的光纤环，这些光子围绕存储环传播。该系统中的每个光子代表一个量子比特。光子围绕存储环的传播方向决定了量子比特的值，可以是0或1。由于光子可以同时以两种状态存在，因此单个光子可以同时向两个方向流动，这表示为0和1的组合的值。

在Bloch球上对光子量子比特状态的描述。

研究人员可以通过将光子从存储环引导到散射单元来操纵光子，在散射单元中，光子传播到包含单个原子的空腔中。光子与原子相互作用，发生“纠缠”。然后光子返回储存环，激光改变原子的状态。因为原子和光子纠缠在一起，操纵原子也会影响其配对光子的状态。通过测量原子的状态，可以将操作隐形传态到光子上，只需要一个可控的原子量子比特，就可以用它作为代理来间接操纵所有其他的光子量子比特。

对应于光子通过散射单元一次的量子门序列。投影测量将应用于原子量子比特的旋转隐形传态到光子量子比特。

因为任何量子逻辑门都可以编译成在原子上执行的一系列操作，所以原则上，你可以只使用一个可控的原子量子比特运行任何大小的量子程序。

为了运行一个量子程序，需要将代码转换成一系列操作，将光子导入散射单元并操纵原子量子比特。你可以控制原子和光子相互作用的方式，同一台设备可以运行许多不同的量子程序。

将量子电路编译成要在设备上执行的指令序列的概念图。(a) 通用目标量子电路。(b) 分解为单量子比特的等效电路和Cσz门。(c) 电路进一步分解为一系列散射相互作用。这个序列可以在经典计算机上组装成一个指令集，其中包含六个与物理动作相对应的不同原语。(d) 量子器件的可控元件是光开关、腔激光器和原子状态读出。

研究人员表示，对于许多光量子计算机来说，门是光子通过的物理结构，如果你想改变正在运行的程序，通常需要在物理上重新配置硬件。但在这个方案中，你不需要改变硬件，只需要给机器一套不同的指令。

研究表明，该方案即使在存在实验缺陷的情况下也具有高保真度，并且在所需的物理资源和实验可行性方面比许多现有的光量子计算范式具有显著优势。

本文中的方案有几个独特的特点。

最值得注意的是，唯一可控的量子资源是单个原子量子比特，它充当了间接操纵光子量子比特的代理。光子量子比特上的所有量子操作和测量都是通过在这个原子上执行的操作来完成的，这些操作被隐形传态到光子上。这减少了制备单个强耦合原子-腔系统的主要实现挑战。

此外，合成时间维度允许单个原子作为所有量子门的非线性，并可以提供光子量子比特之间的有效全连接。

隐形传态门的可编程特性允许原子顺序应用每个所需的单光子门和双光子门，而无需复杂的光子路由。这就否定了传统光量子计算方案对将许多相同的量子发射器集成到光子电路中的要求。

最后，这种设计不需要单光子探测器——这是光量子计算的一个重要限制。相反，可以使用量子隐形传态技术以接近100%的效率测量原子态，大大提高了这种设计的可扩展性。

与其他光量子计算方法相比，该方案展示了一种利用光子学实现可扩展、确定性、基于门的量子计算的途径。该方案也不需要单光子探测器。

与量子比特是单个物理结构的其他QC平台(例如，超导电路和离子阱系统)相比，只有一个可控量子比特在可扩展性方面具有显著优势：在他们的设计中，添加更多量子比特只需要延长光纤环，而在超导设备中添加更多量子比特则需要添加复杂的可独立寻址的组件。

然而这种方案并非没有缺点：该设计要求高腔协同性和低光纤衰减，这具有挑战性，但实施起来是可行的，并且它依赖于具有非常低插入损耗的光开关，铌酸锂调制器的最新进展可能很快会实现这一点。此外，虽然只有一个可控的量子比特大大简化了实验设置，但它阻止了量子电路中的双量子比特门和大多数单量子位门并行执行。

未来，如果能够泛化他们提出的设备的光子存储机制，并考虑时间复用以外的合成维度，可能会进一步提高这种设计的可扩展性。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.424258

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