耶魯科學家在兩量子比特間「傳送」量子門，助力可糾錯量子位設計

大約 20 年前，2 位計算機科學家曾提出一種特殊的量子操作技術，這一技術基於量子隱形傳態對兩個量子比特進行傳輸，使量子計算機更加可靠。

最近，耶魯大學研究團隊成功將這一想法變成現實，通過實驗證明了這一令人難以置信的技術確實可行。這項研究論文在 9 月 5 日發表在 Nature 雜誌上，耶魯大學的研究人員已經實現了量子計算模塊化的第一步，在兩個量子比特間「傳送」了量子門。

圖 | 9 月 5 日 Nature 雜誌刊登量子門研究（來源：Nature）

新研究基於量子隱形傳態（quantum teleportation）技術，該技術在以前的實驗中曾被用於在兩者間用非物理手段傳輸未知的量子態。基於 20 世紀 90 年代的理論，耶魯大學的研究人員在實驗中實現了不基於任何直接相互作用的量子運算（即「量子門」）。這種量子門的設計基於由獨立量子系統所構建的量子網路，業內專家認為此類設計將能消除源自量子物理本身，量子處理器運算過程中所出現的運算錯誤。

目前，耶魯量子研究所由首席研究員 Robert Schoelkopf 和前研究生 Kevin Chou 所領導的研究小組正在研究量子計算的模塊化方法。研究人員表示，模塊化設計已被證明是構建大型複雜系統的有效解決方案，從 SpaceX 的火箭引擎到生物細胞中的組織，模塊化可謂是無處不在。而預期的量子計算模塊化結構將由一組模塊構成，用以將小型量子處理器連接到一個更大的網路中。

圖 | 耶魯大學所研發的模塊化量子計算設計示意圖（來源：yale.edu）

此體系結構中的模塊彼此之間具有自然隔離，從而減少了通過較大系統的不必要的交互。研究人員表示，這種隔離也使模塊之間的操作成為一項獨特的挑戰。傳送量子門是實現模塊間操作的一種方式。

在經典計算機中，計算位的操作被稱為邏輯門。就如角鬥士競技場一樣，在邏輯門中兩個計算位進入，而最終只輸出一個計算位。門以不同的形式選擇兩者中的勝者。邏輯門是組成數字系統的基本結構，通常組合使用不同的邏輯門實現更為複雜的邏輯運算。

這些計算位通過門的操作相互作用，構成了最終你想要得到的計算的基礎。

傳統計算機的邏輯門，計算位是 1 或 0 的確定狀態。但是，量子版本的邏輯門，原先的確定狀態變成了 1 和 0 的不確定狀態，即疊加態。同時，這一狀態當有任何「觀測性」行為發生時，則會坍縮為確定的 0 或1 狀態。更糟的是，這種讓量子態塌縮的「觀測性」行為很容易發生，這就讓量子計算機對環境提出很高的要求。

圖 | 證明量子門實現的實驗設備（來源：Nature）

而現在，量子計算機工程師通過模塊化結構，將較小的量子系統組建成較大的量子系統以抵消錯誤。

要實現這一目標，量子門也需要共享。

通過量子門傳輸信息，聽起來似乎很科幻。但這與在星際迷航中的傳送並不是一回事。

量子遙傳又稱量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子隱形傳態，是指粒子與粒子以對或組的方式相互糾纏後，當一個粒子被測量，另一個粒子則迅速塌縮成一個相關的狀態，無論兩者相距多遠。

這一現象在技術上已通過實驗證明，但直到現在，這一過程還沒有進行可靠的實時執行和測量，而該技術對量子計算機的實現至關重要。

研究人員在一個藍寶石晶元中實現了這種量子比特的傳送。同時，通過應用可糾錯編碼，這一過程的可靠性為 79%。

成熟的量子計算機或能實現比現有經典超級計算機快數個量級的計算速度，但基於量子位的量子計算由於量子物理中的一些原則性限制較經典位更易出錯。在此次耶魯大學所公布的研究中，系統增設了用於監控邏輯運算用量子位的「輔助」量子位，以便在運算過程中及時發現並更正錯誤。首席研究員 Robert Schoelkopf 說：「我們的實驗首次實現了量子比特間的雙量子比特運算，可以說是實現可糾錯量子比特設計過程中的一個里程碑。」

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