跨越7公里！我國(guó)科學(xué)家研究分布式光量子計(jì)算獲重要進(jìn)展

能不能用量子通信網(wǎng)連接多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，讓它們遠(yuǎn)程凝聚出“超級(jí)量子算力”？記者10月6日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的李傳鋒、周宗權(quán)、柳必恒等人，近期基于多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)和量子門(mén)隱形傳送協(xié)議，在合肥市區(qū)實(shí)現(xiàn)跨越7公里的非局域量子門(mén)，并演示了分布式的多伊奇-喬薩算法及量子相位估計(jì)算法。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》日前發(fā)表了相關(guān)研究成果。

  量子計(jì)算是當(dāng)前國(guó)際科研的重要領(lǐng)域，多個(gè)國(guó)家都在研制性能更為強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。一個(gè)思路是在一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多的量子比特，但隨著量子比特的增加，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_以及布線(xiàn)、制冷等方面的技術(shù)限制。因此，研制多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，讓它們遠(yuǎn)程互聯(lián)合力實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算，近年來(lái)成為量子計(jì)算研究的新思路。

  但是，分布式量子計(jì)算存在一系列技術(shù)難點(diǎn)，之前的非局域量子門(mén)運(yùn)算只能在數(shù)十米距離中實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿(mǎn)足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。

  近期，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)基于量子門(mén)隱形傳送協(xié)議，建立兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的非局域量子門(mén)，這兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)分別位于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)東校區(qū)和合肥市大蜀山東側(cè)，之間的直線(xiàn)距離為7公里。

  在合肥市區(qū)跨越7公里的非局域量子門(mén)示意圖。（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

  研究團(tuán)隊(duì)首先在兩節(jié)點(diǎn)間使用通信波段光子和專(zhuān)線(xiàn)光纜，進(jìn)行量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門(mén)操作。一個(gè)重要的技術(shù)突破是，他們采用摻銪硅酸釔晶體材料，實(shí)現(xiàn)了糾纏態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，從而支持了兩個(gè)遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的量子通信與同步，進(jìn)一步的本地單比特操作即可把本地的兩比特量子門(mén)隱形傳送為遠(yuǎn)距離的兩比特量子門(mén)。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的光子之間完成了兩比特非局域量子門(mén)操作，其中受控非門(mén)的保真度達(dá)88.7%。固態(tài)量子存儲(chǔ)器的糾纏存儲(chǔ)時(shí)間相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲(chǔ)的時(shí)間模式數(shù)達(dá)1097個(gè)，使得非局域量子門(mén)的生成速率獲得了線(xiàn)性的提升。基于非局域量子門(mén)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在這兩個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)間演示了兩比特的多伊奇-喬薩算法以及量子相位估計(jì)算法，成功實(shí)現(xiàn)了量子算法的遠(yuǎn)程分布式執(zhí)行。

  研究人員介紹，該研究首次在城市距離上實(shí)現(xiàn)分布式光量子計(jì)算演示，展示了基于量子存儲(chǔ)和通信光纜構(gòu)建分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可行性，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子計(jì)算提供了新思路。

  《自然·通訊》雜志審稿人對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“該研究在實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了重要進(jìn)展，它開(kāi)辟了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)方向去實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理”。（記者徐海濤、戴威）