根据需要在两个量子位之间放置“远距传送”的量子门

耶鲁大学研究人员发现了构建模块化量子计算机架构的关键步骤之一：在两个量子位之间实现量子门的“传送”，而非依赖任何直接的相互作用。量子门是单量子系统网络计算中必不可少的架构，研究人员认为该架构有望消除量子计算处理器中的固有错误。

耶鲁大学的研究人员发现，构建模块化量子计算机架构的关键步骤之一：根据需要在两个量子位之间放置“远距传送”的量子门。

该研究成果发表在9月5日《自然》期刊网络版上。

这项新研究背后的关键就是量子传送，这是量子力学的一个独有特征，人们过去曾将其用于在通信双方之间传输未知的量子态，而无需真正发送状态本身。

耶鲁大学的研究人员通过实验，使用上世纪90年代的理论证明了在两个量子位之间实现量子门的“传送”，是构建未来量子计算机架构的关键步骤之一，而非依赖于任何直接的相互作用。

这种量子门是基于单量子系统网络的量子计算所必需的架构。许多研究人员认为，这种架构可以抵消量子计算处理器中的固有错误。

该研究中模块化量子结构的网络示意图

由耶鲁大学量子研究所首席研究员Robert Schoelkopf和他的学生Kevin Chou等人组成的研究团队正在研究量子计算的模块化方法。

研究人员表示，从最新的SpaceX公司的火箭中的生物细胞组织，到移动网络等各个行业，都可以应用这种方法。模块化方法已被证明是构建大型复杂系统的有效策略。

量子模块化体系结构由一组模块组成，这些模块可供连接到更大型网络中的小型量子处理器使用。

这一体系结构中的模块彼此之间处于自然隔离状态，从而简化了通过大型系统带来的不必要的交互过程。研究人员表示，这种隔离状态也让模块间操作成为一项独特的挑战。而传送则是实现模块间操作的一种方式。

确定性的量子传送CNOT门示意图

量子计算机的计算速度有可能比现有的超级计算机快几个数量级。现在，耶鲁大学的研究人员处于开发第一批完全可用的量子计算机的前沿阶段，并在超导电路的量子计算方面做出了开创性的工作。

量子计算是通过名为“量子位”的精细数据位完成的，这些数据很容易出错。在实验性的量子系统中，“逻辑”量子位由“辅助”量子位监视，以便立即检测和纠正错误。 “我们的实验也是逻辑量子位之间两量子位运算的首次演示，”Schoelkopf表示。 “这是使用可纠错的量子位进行量子信息处理的一个里程碑。”

此研究发表在9月5日的《自然》期刊网络版上

论文摘要

量子计算机有可能有效地解决传统计算机难以处理的问题。然而，由于现实世界量子系统中固有的误差和噪声，构建大规模量子处理器的挑战性很高。

解决这一挑战的一种方法是利用模块化策略，这是一种在自然界和工程领域中构建复杂系统时经常使用的策略。模块化方法将小型专用组件组装到更大的架构中，来管理复杂性和不确定性都很高的系统。

这推动了量子模块化架构的发展，在模块化量子架构中，单独的量子系统可以通过信道连接到量子网络中。在这种架构中，通用量子计算的基本工具是纠缠量子门的“传送”，但迄今为止，这种远距离传送还没有被实现为确定性操作。

现在，研究人员通过实验传送了CNOT门，使用实时自适应控制将传送操作确定下来。此外，我们在两个逻辑量子位之间设置量子门，在超导腔的状态下冗余编码量子信息，朝着实现稳健、可纠错的模块化迈出了关键一步。

通过这种可纠错编码，我们的传送量子门实现了79％的过程保真度。传送量子门对容错量子计算起着重大作用，在网络中实现时，可以在量子通信，计量和模拟中具有广泛的应用。

如果模块化量子门传送可以和量子纠错协议进行集成，那么模块化量子架构可能成为未来可容错量子计算的很有前途的方法。