QC观察丨研究员开发多用途双量子比特硅芯片用于量子信息处理

根据布里斯托大学8月20日公布的一项研究，由中英两国的研究员组成的一支国际研究团队展示了一个新的多功能量子处理器，可以用作进行广泛的量子信息实验的科学工具。

该团队一直使用硅光子芯片构建大规模量子计算组件，并且最新的结果证明在一个集成芯片内完全控制两个量子比特的信息是可以实现的。这意味着可以用两个量子比特来实现的所有任务都可以用该设备编程和实现。

“它是一个非常原始的处理器，因为它只对两个量子比特起作用，这意味着距离用这种技术进行有用的计算还有很长的路要走。”中国国防科技大学的强晓刚(Xiaogang Qiang)说，他在布里斯托尔大学攻读博士学位期间参与了这项研究工作，并且是该研究论文的主要作者。

“但是令人兴奋的是，我们已经将用来制造量子计算机的硅光子学的不同特性结合到一个设备中。”他还解释说。

由于单个反射镜和光学元件太大、太不稳定，无法实现量子计算机将要构建的大型复杂电路，2008年他们开始研究集成光子学。

“我们需要研究如何利用可扩展技术制造量子计算机，其中包括大规模精确构建技术。”布里斯托大学量子工程技术实验室的研究组成员Jonathan Matthews博士说。他们研究小组认为硅是一种很有前途的材料。这项研究已经发表在《自然光子学》杂志上。

双量子比特芯片使量子计算离实现更近一步

• 随着能够同时控制两个量子比特信息的新一代硅芯片的设计的出现，距离实现量子信息编程(一种能够被重新编程以执行任何给定功能的装置)的最终目标又近了一步。
• 由来自英国布里斯托尔大学量子工程技术实验室的强晓刚领的团队完成的这项发明代表了向实用量子计算的发展迈出的重要一步。
• 在一篇发表在《自然光子学》杂志上的论文中，强晓刚和他的同事们报告了完全可编程的双量子比特量子处理器“在光学中实现通用双量子比特量子信息处理”的概念证明。
• 该发明克服了量子计算机发展面临的主要障碍之一。利用现有技术，只需要单个量子比特(同时叠加“0”和“1”的信息单元)的操作可以高精度地执行。然而，一旦增加第二个量子比特从而实现量子纠缠——这是量子计算的关键步骤，问题就来了。
• 研究人员写道：“这被认为是光子学最具挑战性的任务之一，因为每个纠缠步骤都需要额外的资源。”
• 从很大程度上来说，这项挑战现在已经被攻破。在强晓刚和他的同事报告中，已经成功构建一个能控制两个量子比特的量子处理器。新的芯片包括超过200个光子组件，并利用了互补金属氧化物半导体。
• 研究人员报告说，使用该处理器能够以平均93%的效率“实现98个不同的双量子比特酉运算(unitary operations)”。
• 来自西澳大利亚大学的研究小组成员王景波(Jingbo Wang)说，这一结果预示着该领域未来的发展前景良好。“研究小组已经使用硅芯片对100,000个不同的可重编程设置进行了精细的量子信息实验。”她说。“其中一个实验是实施一种特殊的量子游走(quantum walk)，它允许在任意复杂的网络结构中同时遍历所有可能的路径。能够同时探索一切事物为科学和实际应用提供了令人兴奋的前景。”

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译，并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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