新方案：將促進量子信息處理和分散式量子計算髮展！

導讀

近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科研團隊演示了一種根據頻率模式拆分光束的新方案。然後，科學家們選擇了他們想要的頻率，再將量子信息編碼到光子中。這項研究將促進量子信息處理和分散式量子計算的發展。

背景

量子計算，是一種遵循量子力學規律的新型計算模式。對於傳統的經典計算機無法勝任的計算任務來說，量子計算機卻可以勝任。這種超強的計算能力要歸功於量子計算機核心單元：「量子位」。

經典計算機是通過特位來表示二進位信息：一個比特只能代表0和1。然而，量子計算機中的量子位可以同時處於「即是0和又是1」的狀態，它是一個雙態量子系統（例如：光子偏振態或電子自旋態等等）。多個量子位可以在「糾纏」態下連接，操作單個量子位就可以改變整個系統，即使每個量子位的物理上離得很遠。

兩個「幽靈般」的量子物理原理：「糾纏」和「疊加」，是量子信息處理的基礎，從而帶來超高速量子計算機和完全安全的信息傳輸方式。

筆者曾介紹過加拿大魁北克大學國立科學研究院教授 Roberto Morandotti 及其團隊發表過的一篇論文，他們論證了晶元上的頻率梳可以用於同時產生多光子糾纏的量子位狀態。在光學晶元上產生複雜的量子糾纏狀態有望革新信息技術，同時也讓量子信息處理技術，更加貼近現實應用。

（圖片來源：魁北克大學國立科學研究院）

創新

今天，筆者要再介紹一個與光學頻率相關的量子位方案。近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科研團隊演示了一種根據頻率模式拆分光束的新方案。然後，科學家們選擇了他們想要的頻率，再將量子信息編碼到光子中。

這項研究將促進量子信息處理和分散式量子計算的發展。團隊的研究發現發表於《物理評論快報（Physical Review Letters）》雜誌。

（圖片來源：Genevieve Martin / ORNL）

技術

光的頻率決定了它的色彩。當頻率被分開時，如同彩虹一樣，每種顏色的光子都可以進行量子信息編碼，並以量子位的形式呈現。

團隊的新方案首次展示了一種可以將光線拆分為三種頻率的儀器，它返回的結果恰好與科學家的預測相匹配，並且許多量子信息處理操作可以同時無誤地進行。在越來越複雜的條件下，量子系統按照預期運行，且不會影響信息編碼。

ORNL 量子信息科學小組量子通信團隊的領頭人 Nicholas Peters 表示：「在我們的實驗條件下，我們將典型錯誤率減少到1/10。這讓我們方案成為高維頻基量子信息處理的領跑者。」

光子能以「疊加」的狀態攜帶量子信息，即光子可以同時具有多個比特值，而且兩種處於「疊加」態的量子系統會導致糾纏，而糾纏是量子計算的又一關鍵資源。

糾纏增加了量子計算機可以進行的計算數量，團隊專註於創造更加複雜的頻率狀態，從而使得量子模擬更加強大和高效。這種新方案也非常值得關注，因為它演示了阿達馬門（Hadamard gate），一種用於普通量子計算的基礎電路。

價值

項目的首席研究員 Pavel Lougovski 表示：「我們能夠迅速演示出極度高保真的結果，這對於光學方案來說非常了不起。在ORNL，通過基於頻率的編碼研究，我們創建出一個了不起的子域。」

這種方法利用了現有的組件和廣泛應用的通信技術，產生出高保真的結果。這項研究也將惠及量子中繼器的開發，它將拓展量子信息在物理上獨立的計算機之間傳輸距離。

Lougovski 表示：「我們的方法是兼容通信網路的，這是一大優點。如果需要，我們能夠在通信網路基礎上展開量子計算。」

Peters 補充道，他們的方案展示了一種未被使用的光纖光學帶寬，它可以帶來並行操作，從而減少運算時間。

ORNL 實驗的領頭人 Joseph Lukens 表示：「我們的研究使用頻率的主要優點 （穩定性），從而得到非常高的保真度，然後在我們需要時，進行受控頻率跳躍。 」 研究人員已經通過實驗展示了量子系統可以進行轉化，從而產生需要的輸出。

研究人員建議，他們的方法可以與現有的分束技術相配合，利用二者的優點，讓科學界離完全利用基於頻率的光子量子信息處理更進一步。

關鍵字

量子技術、光子、計算

參考資料

【1】https://www.ornl.gov/news/researchers-demonstrate-promising-method-improving-quantum-information-processing

【2】Hsuan-Hao Lu, Joseph M. Lukens, Nicholas A. Peters, Ogaga D. Odele, Daniel E. Leaird, Andrew M. Weiner, Pavel Lougovski. Electro-Optic Frequency Beam Splitters and Tritters for High-Fidelity Photonic Quantum Information Processing. Physical Review Letters, 2018; 120 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.030502

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