跨越7公里！我國科學(xué)家研究分布式光量子計算獲重要進(jìn)展

能不能用量子通信網(wǎng)連接多臺量子計算機(jī)，讓它們遠(yuǎn)程凝聚出“超級量子算力”？記者10月6日從中國科學(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)量子存儲和量子門隱形傳送協(xié)議，在合肥市區(qū)實(shí)現(xiàn)跨越7公里的非局域量子門，并演示了分布式的多伊奇-喬薩算法及量子相位估計算法。國際權(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。

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

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

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

在合肥市區(qū)跨越7公里的非局域量子門示意圖。（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線光纜，進(jìn)行量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，兩個節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。一個重要的技術(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)的長時間存儲，從而支持了兩個遠(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隱形傳送為遠(yuǎn)距離的兩比特量子門。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個節(jié)點(diǎn)的光子之間完成了兩比特非局域量子門操作，其中受控非門的保真度達(dá)88.7%。固態(tài)量子存儲器的糾纏存儲時間相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲的時間模式數(shù)達(dá)1097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升?；诜蔷钟蛄孔娱T，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在這兩個遠(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)分布式光量子計算演示，展示了基于量子存儲和通信光纜構(gòu)建分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)的可行性，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子計算提供了新思路。

《自然·通訊》雜志審稿人對此給予高度評價，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，它開辟了一個新的實(shí)驗(yàn)方向去實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理”。