​当你在公路上开车,随处都可以看到下图的限速标志。但是对于喝了点小酒的司机,可能一脚油门,嗖一下,150码就过去了。

 

量子计算机研究新突破,打破量子比特信息传输速度限制-量子客
图1 | 限速图标(来源:网络)

 

与高速公路上的速度限制不同,在物理学中,大多数速度限制是不能违反的。例如,信息不能超光速传输,根据信息的存储和传输方式,实际上可能会有快慢的限制。

当信息处理来到量子世界后,处理方式就变得特别微妙。量子信息由量子比特表示,它可以存储在光子,原子或受量子物理学规则支配的任何其他系统中。弄清楚信息如何在量子比特之间移动,从基本的角度来看不仅很有趣,而且,这对于更实际的应用目的也很重要。例如,我们要改进量子计算机的设计,以及了解其内在的局限性。

量子计算机研究新突破,打破量子比特信息传输速度限制-量子客
图2 | 一种新的量子信息剪切和粘贴协议首先将一个量子比特(蓝点)的内容传播到一个区域(黑圈)上。然后,利用远程相互作用(蓝色条纹)来传输信息。最后,在目标量子位(红点)上收集信息。(来源: 加州理工学院)

 

最近,笔者与量子计算领域的专家访谈交流时,提到了量子比特间信息传递速度问题。在量子信息传递过程中,速度是如何受到影响的?当然,在我们提起这个话题时,大洋彼岸传来消息,这里一半参考,一半分析,欢迎交流。

由美国国家标准与技术研究所(NIST)和马里兰大学等多个合作研究机构合作取得了令人惊讶的发现:量子信息传递的速度限制取决于所要完成的任务。该研究已发表于《物理评论X》[1]。

 

量子计算机研究新突破,打破量子比特信息传输速度限制-量子客
图3 | 论文(来源:物理评论X)

 

弄清是什么限制量子信息传递的速度大有用途。在没有优化的时候,速度是受到很大限制的,借用上面团队提出的新的信息传输的方法,能够加速传输,使之向理论值靠近。这对未来量子计算机研究非常重要,因为会最大化的优化量子计算机的性能。

本质上,其受限过程就好比是将量子信息通过”剪切“然后”粘贴“操作一样,通过剪切与粘贴将存储在一个量子比特中的信息移动到另一个不同的位置。而随着量子计算机规模越来越大,这项至关重要的任务可能会成为向上扩张的瓶颈。

这里拿基于超导体的量子计算机来探讨,例如谷歌的Sycamore量子计算机,它的量子比特只与相邻的量子比特传递信息(该量子芯片上的比特并不是全部两两相连的)。或者从物理学角度而言,它们的相互作用是短距离的。这意味着一旦要”剪切“了一个量子比特,就必须挨家挨户,反复执行剪切并粘贴,直到达到目标为止。

 

量子计算机研究新突破,打破量子比特信息传输速度限制-量子客
图4 | 远距量子比特信息传递示意图(来源:量子客)

 

而当远程交互时,事情就变得更加复杂(这对于许多量子计算平台而言是需要面对的更现实的问题):不仅要与直接相邻的量子比特通信,而且还与相邻几扇门的“邻居”直接通信。由离子阱(Trapped Ions)、极性分子(Polar Molecules)和里德堡原子(Rydberg Atoms)构成的量子计算机都具有这些远程相互作用的特性。

以前的研究表明,在远距离交互装置中,并不总是存在严格的速度限制。有时,一旦信息离起点越来越远,信息的传播速度就会更快。而有时它的速度完全不受限制(敲黑板,这里说的速度必然不能超光速)。所以,核心观点取决于量子计算机的尺寸以及远程交互的强度。

找到这些远距离相互作用可以放缓信息速度限制的方法,有望使量子处理变得更快。这个研究团队的结果有意思在于,他们发现对于不同的应用程序,速度限制是不一样的。这就意味着,对于同一台量子计算机,不同任务的速度限制是不同的。甚至对于同一任务,例如上面打比喻说的量子“剪切”和“粘贴“,也可以在不同情况下应用不同的规则。

如果在计算开始时就执行剪切并粘贴,则速度限制很宽松,可以很快完成。但是,如果必须在计算中期进行这个操作,当沿途的量子比特状态不确定的时候,就需要有一个严格的速度限制,就非常适用。

迄今为止,很少有量子计算机的实验能够实现利用长距离相互作用。然而,现有技术正在迅速改善这一问题,这些理论发现可能很快将在设计量子计算架构和选择优化其效率的协议中发挥关键作用。详情请参阅论文。

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

 

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作者Carony Ding       审核 | Viky