2019-05-31 05:40:02
物理学家在分离离子之间的远程传送逻辑操作

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家传送了一种计算机电路指令,称为两个分离的离子(带电原子)之间的量子逻辑运算,展示了量子计算机程序如何在未来的大规模量子网络中执行任务。

量子隐形传输将数据从一个量子系统(例如离子)传输到另一个(例如第二离子),即使两者完全相互隔离,就像在不同建筑物的地下室中的两本书一样。在这种现实生活中的远程传送形式中,只有量子信息,而不是物质信息被传输,而不是“星际迷航”版本的“照亮”整个人类,例如从太空船到行星。

先前已经用离子和各种其他量子系统证明了量子数据的传送。但是这项新工作是第一个使用离子传送完整量子逻辑运算的工作,离子是未来量子计算机架构的主要候选者。这些实验在5月31日的“科学”杂志中有所描述。

“我们验证了我们的逻辑运算适用于两个量子位的所有输入状态,概率为85%到87% - 远非完美,但它是一个开始,”NIST物理学家Dietrich Leibfried说。

如果可以构建一个全尺寸量子计算机,可以解决目前难以处理的某些问题。 NIST为全球研究工作做出了贡献,将量子行为用于实用技术,包括构建量子计算机的努力。

为了使量子计算机按预期运行,它们可能需要数百万个量子比特或“量子比特”,以及在大规模机器和网络之间分布的量子比特之间进行操作的方法。传送逻辑运算是没有直接量子力学连接的一种方式(仍然需要用于交换经典信息的物理连接)。

美国国家标准与技术研究院的团队在一个离子阱的不同区域内,在距离超过340微米(百万分之一米)的两个铍离子量子位之间传送一个量子控制非(CNOT)逻辑操作或逻辑门,这个距离可以排除任何距离实质性的直接互动只有当第一个量子位为1时,CNOT操作才会将第二个量子位从0翻转为1,反之亦然。如果第一个量子位为0,则没有任何反应。在典型的量子方式中,两个量子位都可以处于“叠加”状态,其中它们同时具有1和0的值。

NIST隐形传输过程依赖于纠缠,即使它们被分离,也会将粒子的量子特性联系起来。一对“信使”纠缠的镁离子用于在铍离子之间传递信息。

NIST团队发现其传送的CNOT过程纠缠了两个镁离子 - 一个关键的早期步骤 - 成功率为95%,而完整的逻辑运算成功率为85%到87%。

“门传送允许我们在空间上分离的两个离子之间执行量子逻辑门,之前可能从未相互作用过,”Leibfried说。 “诀窍在于,他们每个人都有一个另一个缠绕在一起的离子,这个纠缠资源分布在门前,让我们可以做一个没有经典对手的量子技巧。”

“纠缠的信使对可以在计算机的专用部分生产,并单独运送到需要与逻辑门连接但位于偏远位置的量子位,”Leibfried补充说。

NIST的工作也首次集成到一个实验中,这是第一次对基于离子构建大型量子计算机所必需的几项操作,包括控制不同类型的离子,离子传输和对选定子集的纠缠操作。系统。

为了验证他们是否执行了CNOT门,研究人员在16种不同的输入状态组合中准备了第一个量子位,然后测量了第二个量子位上的输出。这产生了一个广义的量子“真值表”,显示了该过程的有效性。

除了生成真值表之外,研究人员还检查了数据在延长运行时间内的一致性,以帮助识别实验设置中的误差源。该技术有望成为未来实验中表征量子信息过程的重要工具。

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