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普渡大学利用“量子迪特”构建出可处理量子信息的量子版晶体管
2019-07-19


[据物理学组织网站2019716日报道] 量子信息处理技术有望超越当前的超级计算机,实现更快、更安全的信息处理。然而,当前还没有可以真正实用的量子计算机,因为目前量子计算机的组件和量子位极其的不稳定。



美国普渡大学的研究人员是第一批尝试利用一种类似门的“量子电码(量子迪特)”(qudits)开发量子版本晶体管(用于计算机信息处理)的研究团队。量子位只能存在于01的叠加态中,而量子电码qudits)则可存在于012等多个态中。更多的状态意味着可以对更多的数据信息进行编码和处理。



“量子电码”(qudits)门不仅在本质上比量子比特(qubits)门更有效率,而且更稳定,因为研究人员会把这些量子电码qudits)塞进光子中,而光子是一种不容易被周围环境干扰的光粒子。研究人员的相关研究论文已发表在国际权威刊物《npj Quantum Information》杂志上。



“量子电码”(qudits)门也创造了迄今为止最大的量子粒子纠缠态的纪录——在这个例子中,是光子。纠缠是一种量子现象,是指对一个粒子进行测量后自动影响另一个粒子量子状态的现象。利用量子纠缠原理可保证各方之间的通信或将量子信息从一个点传送到另一个点的过程牢不可破。



在所谓的希尔伯特空间——可实现量子信息处理的范围——纠缠越多越好。之前的光子方案能在希尔伯特空间中构建由六个纠缠光子编码组成的18个量子位。普渡大学研究人员在两个光子中,利用由4量子电码qudits)(相当于20个量子比特)组成的门进行编码,实现了门纠缠的最大化。



在量子通信中,少即是多。普渡大学电子与计算机工程学院的博士后研究员普尔阿德·伊曼尼指出,由于光子很难产生和控制,因此光子在量子意义上是昂贵的,所以如果能在每个光子中都装入尽可能多的信息是最理想的。



普渡大学研究团队通过在两个光子的时域和频域分别编码一个“量子电码”(qudits),利用更少的光子实现了更多的纠缠。研究人员通过在每个光子中编码两个量子电码qudits),构建出一个总共包含4量子电码qudits)的门,存在32个维度(或者说在时间和频率上存在32种可能性)。维度越多,纠缠就越多。



从在频域中相互纠缠的两个光子开始,通过门的控制作用再与每个光子的时域和频域进行纠缠,就可产生出4个完全纠缠的量子电码qudits),占据了1048576维的希尔伯特空间,即324次方。



通常情况下,建立在光子平台上的门只能在某些理想情况下处理单独光子编码的量子信息,因为光子之间的相互作用不是很良好,这使得根据一个光子的量子状态来操控另一个光子的量子状态变得极其困难。普渡大学的研究人员利用一套在日常光通信行业中使用的标准商用现货器件构建出“量子电码”(qudits)门,并通过在光子的时间和频率域中编码量子信息,使量子门的操控具有确定性,而不是概率性。



普渡大学从事超快光学研究的杰出电气和计算机工程学教授安德鲁·韦纳指出,“量子电码”(qudits)门能够以可预测和确定的方式操纵量子信息,这意味着它可以完成某些特定量子信息处理任务所需的操作。下一步,该研究团队希望量子电码qudits)门能在实际量子通信任务中得到应用,比如高维量子隐形传态,以及在量子机器学习或分子模拟等应用中执行量子算法。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)



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