Nature | 耶鲁实现量子门的隐形传输，模块化量子计算的关键进展

选自 phys.org

机器之心编译

参与：王淑婷、刘晓坤

耶鲁大学的研究人员证明，构建模块化、可纠错量子计算机架构的关键步骤之一是按需在两个量子比特之间「隐形传送」量子门。该研究于 9 月 5 日在《nature》上发布。

这项新研究背后的关键原理是量子隐形传态，这是量子力学的独有特征，曾被用来在双方之间隐形传输未知的量子态，而不需要在物理上发送粒子本身。耶鲁大学的研究人员利用 20 世纪 90 年代开发的理论协议，在不依赖任何直接相互作用的情况下，通过实验展示了在两个量子比特之间的量子门的隐形传输。这种门对于依赖分离量子系统网络的量子计算来说非常必要——许多研究人员认为这种结构可以抵消量子计算处理器固有的误差。

通过耶鲁量子研究所，由首席研究员 Robert Schoelkopf 和前研究生 Kevin Chou 领导的耶鲁研究小组正在研究量子计算的模块化方法。研究人员称，从生物细胞组织到最新 SpaceX 火箭引擎网络等所有领域都已发现的模块化，被证明是构建大型复杂系统的有力策略。量子模块化架构由一系列模块组成，这些模块充当连接更大网络的小型量子处理器。

这种架构中的模块彼此之间具有自然隔离，通过更大系统减少不必要的相互作用。然而，根据研究人员的说法，这种隔离也使得在模块之间执行运算成为一个明显的挑战。量子门传输是实现模块间运算的一种方式。

Chou 表示，「我们的工作首次展示了这种协议，其中经典通信实时发生，允许我们实现『确定性』运算，每次都能执行期望的运算。」

图 1：模块化架构和传输 CNOT 门的构造。

实用量子计算机的计算速度将能超越当前超级计算机几个数量级。耶鲁大学的研究人员站在了开发首个实用量子计算机的前沿，用超导线路完成了量子计算的开创性工作。

量子计算是通过称为量子比特的相互作用来完成的，这种数据容易出错。在实验量子系统中，「逻辑」量子比特由「辅助」量子比特监控，以便立即检测和纠正错误。Schoelkopf 表示，「我们的实验第一次演示了逻辑量子比特之间的两比特运算。这是使用可纠错量子比特进行量子信息处理的里程碑。」

论文：Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits

• 论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0470-y
• 预印地址：https://arxiv.org/pdf/1801.05283.pdf

摘要：量子计算机拥有高效求解经典计算机难以解决的问题的潜力。然而，由于真实世界量子系统内在的误差和噪声，构建大规模的量子处理器很有挑战性。解决这个问题的一个方法是利用模块化，这种策略常被用来在自然和工程中构建鲁棒的复杂系统。该方法通过集成小型、专用的组件到更大规模的架构中来控制复杂性和不确定性。这种思想启发了量子模块化架构的开发，其中分离的量子系统通过通信通道连接到量子网络中。在这种架构中，通用量子计算的基本工具是纠缠量子门的传输，但这种传输迄今为止尚未被确定性地实现。

我们在本文实验中展示了控制非门（CNOT）的传输，通过使用实时的适应性控制实现了确定性操作。此外，我们通过制定两个逻辑量子比特之间的量子门，在超导腔的量子态中编码冗余量子信息，来实现鲁棒的误差校正模块。通过使用这种误差校正编码，我们的量子门传输达到了 79% 的过程保真度。

可传输的量子门对于容错量子计算意义重大，当能在量子网络中实现时，其将在量子通信、量子测量和量子模拟中得到广泛应用。在结合了量子误差校正协议后，我们的结果展示了在逻辑量子比特上实现多量子比特运算的优越方法，表明使用模块化架构实现容错量子计算很有潜力。

图 4：确定性传输 CNOT 量子门的实验展示。

原文链接：https://phys.org/news/2018-09-teleport-quantum-gate.html

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