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光量子最新研究构建波形容错量子比特门

  "信号"光子和"闲散"光子的相互作用
  (图片来源:网络)
  最近,德国汉诺威莱布尼茨大学的研究人员进行了一项研究, 探讨了量子计算机实现飞行量子比特门的可能性,这种门对光子的波形不敏感,并且在处理过程中完全保留光子形状。 该研究论文已发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
  该研究团队成员Ihar Babushkin说:"量子技术的发展有几种候选架构,包括超导体、离子阱、固态、光量子等。但无论采用哪种架构,光量子都将发挥重要作用。因为几乎在所有架构中,光子无疑是量子信息比特(量子比特)间的媒介。"
  而光量子计算机的独特之处在于: 光子不仅能够调解量子比特之间的相互作用,其本身也是量子比特。由于光子不受退相干的影响(即环境与量子比特相互作用并改变其量子态的过程,导致量子比特存储的信息丢失),因此它们是能安全携带量子信息的理想选择。
  Babushkin解释说:"光子不受退相干影响,因为光子间不会发生相互作用,同时光子也几乎不与其他物质相互作用。但想要操纵光子,就成了问题:光子间缺乏相互作用使得操纵光子变得困难,由此很难执行量子计算。尽管如此,光子在信息处理方面的优越性以及可在室温下运行的优势,仍促使世界各地的团队将该方向作为主要研究路线之一。"
  现在,受关注最高的光子信息处理方法有两种:"基于测量的计算",只需要线性光学元件,例如光子分束器和辅助光子的测量;相干光子转换(CPC),采用放大非线性光学相互作用的技术,促使光子间发生作用。
  这两种方法有个同样的局限条件:即都需要"全同"的输入光子(在时间和空间上无法区分且彼此不相关)。
  Babushkin说:"这是必需条件,因为如果光子变得可区分,则会打破它们的量子干涉。这是一个严重的限制条件,它要求同一光子源产生的所有光子都完全独立,然而由同一光子源产生大量全同的光子并非易事。"
  该研究团队提出:可以使用CPC方法的变体来突破局限性。他们在理论上证明了 CPC可用于实现量子比特门,在操控相互作用的、非全同的、可区分的光子时保留了其时空光子特性。
  Babushkin说:"在这种方法中,相互作用的光子和强激光泵都以不同的速度传播,并在某个时候相遇,此时,光子之间的相互作用以‘尖锐’的互动形式出现,作用时间可以小到数百阿托秒(1阿托秒是10-18 秒),在空间尺度上只有几纳米。这个锋面的大小取决于原子可以对光学激发做出反应的最大速度。"
  该研究团队表明:一旦相互作用光子的波形(即脉冲形状)远大于阿托秒尺度,光子波形的分离部分就会被独立处理,从而使系统中光子的波形保持不变。
  未来,该小组将通过实验来验证他们的理论预测的正确性。一旦被验证,他们的工作可以为开发性能更好的光子信息处理系统铺平道路。他们将把单量子比特门的成果扩展到整个框架,以波形容错光量子门执行计算,加速全光量子计算机的实现。
  原文链接:
  https://phys.org/news/2022-04-highlights-possibility-wave-shape-tolerant-qubit-gates.html
  论文链接:
  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.090502#fulltext
  文: Ingrid Fadelli
  编译:卉可
  编辑:慕一
  注:本文编译自" phys",不代表量子前哨观点。

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