7日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)基于多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)和量子門隱形傳送協(xié)議，在合肥實(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(jì)算法。研究成果日前發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。
量子計(jì)算是當(dāng)前國際科研的重要領(lǐng)域。目前，傳統(tǒng)的做法是在一臺(tái)量子計(jì)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，信號(hào)串?dāng)_以及布線、制冷等方面的技術(shù)限制可能出現(xiàn)。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)算從而在遠(yuǎn)程形成“超級(jí)量子算力”，成為量子計(jì)算研究的新思路。
作為解決量子計(jì)算可擴(kuò)展性難題的一條可行路徑，分布式量子計(jì)算通過非局域量子門連接獨(dú)立的量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從而整合量子網(wǎng)絡(luò)中的算力資源來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算規(guī)模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數(shù)十米的尺度下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。
研究團(tuán)隊(duì)基于量子門隱形傳送協(xié)議，來建立兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的非局域量子門。兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的直線距離為7公里，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)。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)行了量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)節(jié)點(diǎn)和大蜀山節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)節(jié)點(diǎn)采用摻銪硅酸釔晶體實(shí)現(xiàn)糾纏光子的存儲(chǔ)，直到接收到大蜀山節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，并根據(jù)這一結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的單比特門操作。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)節(jié)點(diǎn)的光子與大蜀山節(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(chǔ)器的糾纏存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到80.3微秒，并且糾纏存儲(chǔ)的時(shí)間模式數(shù)達(dá)1097個(gè)，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性提升。基于非局域量子門，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。
研究人員表示，這項(xiàng)研究首次在城市距離上實(shí)現(xiàn)分布式光量子計(jì)算的演示，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，為規(guī)模化量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。
審稿人高度評(píng)價(jià)該成果，認(rèn)為這是一項(xiàng)杰出的工作，它結(jié)合了幾項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)要素，包括糾纏光子對(duì)、光量子存儲(chǔ)器、城域量子通信，實(shí)現(xiàn)了首創(chuàng)性演示；它開辟了一個(gè)實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理的新實(shí)驗(yàn)方向。
