量子計算機研究新突破,打破量子比特信息傳輸速度限制

2021-02-24 量子客

當你在公路上開車，隨處都可以看到下圖的限速標誌。但是對於喝了點小酒的司機，可能一腳油門，嗖一下，150碼就過去了。

與高速公路上的速度限制不同，在物理學中，大多數速度限制是不能違反的。例如，信息不能超光速傳輸，根據信息的存儲和傳輸方式，實際上可能會有快慢的限制。

 

當信息處理來到量子世界後，處理方式就變得特別微妙。

量子信息由量子比特表示，它可以存儲在光子，原子或受量子物理學規則支配的任何其他系統中。

 

弄清楚信息如何在量子比特之間移動，從基本的角度來看不僅很有趣，而且，這對於更實際的應用目的也很重要。例如，我們要改進量子計算機的設計，以及了解其內在的局限性。         

圖2 | 一種新的量子信息剪切和粘貼協議首先將一個量子比特(藍點)的內容傳播到一個區域(黑圈)上。然後，利用遠程相互作用(藍色條紋)來傳輸信息。最後，在目標量子位(紅點)上收集信息。(來源: 加州理工學院)

最近，筆者與量子計算領域的專家訪談交流時，提到了量子比特間信息傳遞速度問題。在量子信息傳遞過程中，速度是如何受到影響的？當然，在我們提起這個話題時，大洋彼岸傳來消息，這裡一半參考，一半分析，歡迎交流。

 

由美國國家標準與技術研究所(NIST)和馬裡蘭大學等多個合作研究機構合作取得了令人驚訝的發現：量子信息傳遞的速度限制取決於所要完成的任務。該研究已發表於《物理評論X》[1]與《物理評論快報》

 

弄清是什麼限制量子信息傳遞的速度大有用途。在沒有優化的時候，速度是受到很大限制的，借用上麵團隊提出的新的信息傳輸的方法，能夠加速傳輸，使之向理論值靠近。這對未來量子計算機研究非常重要，因為會最大化的優化量子計算機的性能。

  

本質上，其受限過程就好比是將量子信息通過」剪切「然後」粘貼「操作一樣，通過剪切與粘貼將存儲在一個量子比特中的信息移動到另一個不同的位置。

 

而隨著量子計算機規模越來越大，這項至關重要的任務可能會成為向上擴張的瓶頸。

 

這裡拿基於超導體的量子計算機來探討，例如谷歌的Sycamore量子計算機，它的量子比特只與相鄰的量子比特傳遞信息（該量子晶片上的比特並不是全部兩兩相連的）。或者從物理學角度而言，它們的相互作用是短距離的。這意味著一旦要」剪切「了一個量子比特，就必須挨家挨戶，反覆執行剪切並粘貼，直到達到目標為止。

圖4 | 遠距量子比特信息傳遞示意圖（來源：量子客）

而當遠程交互時，事情就變得更加複雜（這對於許多量子計算平臺而言是需要面對的更現實的問題）：不僅要與直接相鄰的量子比特通信，而且還與相鄰幾扇門的「鄰居」直接通信。由離子阱（Trapped Ions）、極性分子（Polar Molecules）和裡德堡原子（Rydberg Atoms）構成的量子計算機都具有這些遠程相互作用的特性。

 

以前的研究表明，在遠距離交互裝置中，並不總是存在嚴格的速度限制。有時，一旦信息離起點越來越遠，信息的傳播速度就會更快。而有時它的速度完全不受限制（敲黑板，這裡說的速度必然不能超光速）。所以，核心觀點取決於量子計算機的尺寸以及遠程交互的強度。

 

找到這些遠距離相互作用可以放緩信息速度限制的方法，有望使量子處理變得更快。

 

這個研究團隊的結果有意思在於，他們發現對於不同的應用程式，速度限制是不一樣的。

 

這就意味著，對於同一臺量子計算機，不同任務的速度限制是不同的。甚至對於同一任務，例如上面打比喻說的量子「剪切」和「粘貼「，也可以在不同情況下應用不同的規則。

 

如果在計算開始時就執行剪切並粘貼，則速度限制很寬鬆，可以很快完成。但是，如果必須在計算中期進行這個操作，當沿途的量子比特狀態不確定的時候，就需要有一個嚴格的速度限制，就非常適用。

 

迄今為止，很少有量子計算機的實驗能夠實現利用長距離相互作用。然而，現有技術正在迅速改善這一問題，這些理論發現可能很快將在設計量子計算架構和選擇優化其效率的協議中發揮關鍵作用。詳情請參閱論文。

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031009

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