產生光子以在量子計算系統中進行通信

2020-10-09 工程學習

糾纏的光子對由沿著波導放置的量子位生成並傳播遠離量子位。圖片來源:Sampson Wilcox

麻省理工學院的研究人員使用連接到微波傳輸線的超導量子位,已經證明了量子位可以如何按需產生量子處理器之間進行通信所需的光子或光粒子。

這一進步是實現互連的重要一步,互連將使模塊化量子計算系統以比傳統計算機所能達到的指數級速度執行運算。

「模塊化量子計算是一種通過在多個處理節點分擔工作量的規模達到了量子計算的一種技術,」巴拉斯坎南,麻省理工學院的研究生研究員,對這個話題在今天發表論文的第一作者說科學進展。「但是,這些節點通常不在同一位置,因此我們需要能夠在遠處之間傳遞量子信息。」

在經典計算機中,電線用於在計算過程中通過處理器來迴路由信息。在量子計算機中,信息本身是量子力學的且易碎的,因此需要新的策略來同時處理和傳遞信息。

「超導量子比特是當今的一項領先技術,但它們通常僅支持本地交互(最近鄰居或非常近的量子比特)。問題是如何連接到遙遠位置的量子比特,」威廉·奧利弗(William Oliver)說。電氣工程和計算機科學專業,麻省理工學院林肯實驗室研究員,量子工程中心主任,電子研究實驗室副主任。「我們需要量子互連,理想情況下是基於微波波導,它可以將量子信息從一個位置引導到另一個位置。」

可以通過微波傳輸線或波導進行通信,因為存儲在量子位中的激發會生成光子對,光子對被發射到波導中,然後傳播到兩個遙遠的處理節點。相同的光子被稱為「糾纏」,作為一個系統。當它們行進到遠處的處理節點時,它們可以在整個量子網絡中分布該糾纏。

「我們使用量子位按需生成糾纏光子,然後將糾纏態以非常高的效率釋放到波導中,基本上是統一的,」 Oliver說。

坎南說,《科學進展雜誌報導的這項研究利用了一種相對簡單的技術。

坎南說:「我們的工作提出了一種新的體系結構,它可以非常簡單地生成光子,在空間上糾纏在一起,僅使用一個波導和幾個量子位,它們充當光子發射器。」 「光子之間的糾纏然後可以轉移到處理器中,用於量子通信或互連協議。」

儘管研究人員表示他們尚未實現這些通信協議,但他們正在進行的研究卻朝著這個方向發展。

坎南說:「在這項工作中,我們還沒有執行處理器之間的通信,而是展示了我們如何產生對量子通信和互連有用的光子。」

Kannan,Oliver和同事的先前工作介紹了使用超導量子位的波導量子電動力學體系結構,而超導量子位本質上是一種人造巨型原子。該研究證明了這種架構如何執行低誤差量子計算並在處理器之間共享量子信息。這是通過調整量子位的頻率來調整量子位與波導的相互作用強度來實現的,從而保護脆弱的量子位免受波導引起的去相干,以執行高保真量子位操作,然後重新調整量子位頻率,從而使量子位能夠將它們的量子信息以光子的形式釋放到波導中。

本文介紹了波導量子電動力學體系結構的光子產生能力,表明量子位可以用作波導的量子發射體。研究人員證明,發射到波導中的光子之間的量子幹擾會產生糾纏的,流動的光子,它們沿相反的方向傳播,可用於量子處理器之間的長距離通信。

在光學系統中生成空間糾纏的光子通常是使用自發的參數下轉換和光電檢測器完成的,但是這種方式產生的糾纏通常是隨機的,因此在實現分布式系統中量子信息的按需通信方面不太有用。

「模塊化是任何可擴展系統的關鍵概念,」 Oliver說。「我們的目標是證明量子互連的元素在未來的量子處理器中應該會有用。」

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