美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员已经证明了对用量子信息编码的光子的新控制水平。该团队的实验系统允许他们操纵光子的频率以实现叠加，这是一种能够实现量子操作和计算的状态。
美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员对用量子信息编码的光子进行了新的控制。他们的研究成果发表在Optica上。
ORNL量子信息科学小组的研究科学家Joseph Lukens，Brian Williams，Nicholas Peters和Pavel Lougovski在不同频率光子上编码的两个量子比特上同时执行了不同的独立的操作，这是线性光学量子计算的关键能力。量子比特是量子信息的最小单位。
使用频率编码量子比特的量子科学家已经能够在两个量子比特上并行执行单个操作，但这还不足以进行量子计算。
“要实现通用量子计算，你需要能够同时对不同的量子比特进行不同的操作，这就是我们在这里所做的。”Lougovski说。
根据Lougovski的说法，该团队的实验系统——包含在单股光纤电缆中的两个纠缠光子——是“你能想象到的最小的量子计算机。该论文标志着我们基于频率的通用量子计算方法的首次演示。”
“许多研究人员正在谈论利用光子进行量子信息处理，甚至使用频率。”Lukens说，“但没有人想过在同一个空间内通过相同的光纤束发送多个光子，并对它们进行不同的操作。”
该团队的量子频率处理器允许他们操纵光子的频率，从而产生叠加，这种状态使量子操作和计算成为可能。
与为传统计算编码的数据比特(bit)不同，编码在光子频率中的叠加量子比特的值是0和1，而不是0或1。这种能力允许量子计算机在比当今的超级计算机更大的数据集上同时执行操作。
使用他们的处理器，研究人员证明了97％的干涉可见率——测量两个光子的相似程度——而在类似的研究中，返回的可见率为70%。他们的结果表明光子的量子态实际上是相同的。
研究人员还应用了与一种与机器学习相关的统计方法，以证明这些操作是在非常高的保真度和完全受控的情况下完成的。
“我们能够使用贝叶斯推理提取有关我们实验系统量子态的更多信息，而不是使用更常见的统计方法。” Williams 说。
“这项工作代表了我们团队的进程第一次返回了一个实际的量子结果。”
Williams指出，他们的实验装置提供稳定性和控制。“当光子在设备中采用不同的路径时，它们会经历不同的相变，从而导致不稳定。”他说，“当他们通过相同的设备，在这种情况下，光纤链，你有更好的控制。”
稳定性和控制能够实现量子操作，从而保护信息，减少信息处理时间并提高能效。研究人员将他们正在进行的项目(从2016年开始)与构建模块(这些模块将要连接在一起以实现大规模量子计算)进行了比较。
“在采取下一个更复杂的步骤之前，你必须采取一些步骤。” Peters说，“我们之前的项目专注于开发基本功能，使我们现在能够在全量子领域以全量子输入态工作。”
Lukens说，研究团队的结果显示“我们可以控制量子比特的量子态，改变它们的相关性，并使用标准电信技术对其进行修改，使之适用于推进量子计算。”
他补充道，一旦量子计算机的构建模块全部到位，“我们就可以开始连接量子器件来构建量子互联网，这是下一个激动人心的步骤。”
不同的超级计算机处理信息的方式各不相同，反映了不同的开发人员和工作流程的优先级，量子设备将使用不同的频率运行。这将使连接它们，以便它们可以像今天的计算机在互联网上交互，变得具有挑战性。
这项工作是该团队之前在标准电信技术上展示量子信息处理能力的扩展。此外，他们表示，利用现有的光纤网络基础设施进行量子计算是切实可行的：已投入了数十亿美元，量子信息处理代表了一种新用途。
研究人员表示，他们研究的这种“完整循环”非常令人满意。“我们一起开始研究，希望探索标准电信技术在量子信息处理中的应用，我们发现我们可以回到传统领域并对其进行改进。”Lukens说。
Lukens，Williams，Peters和Lougovski与普渡大学的研究生Hsuan-Hao Lu和他的顾问Andrew Weiner进行了合作。该研究得到了ORNL实验室指导研究和开发计划的支持。
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