田纳西州奥克里奇,2018年12月10日 – 橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员展示了一种基于频率的量子计算方法。研究人员在不同频率光子上编码的两个量子比特上同时进行了两次不同的独立操作。我们知道,量子比特(Qubit)是量子信息的最小单位。

ORNL团队表示,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,但从未进行过两次不同的操作。据研究人员称,相干量子频率操作具有挑战性,因为很难任意混合频率和低噪声。

“要实现通用量子计算,你需要能够同时在不同的量子比特上进行不同的操作,这就是我们在这里所做的,”研究科学家帕维尔·洛戈夫斯基说。

Q快讯 | ORNL团队使用光纤展示了“通用量子计算机”-量子客

ORNL的量子信息科学小组的研究科学家Brian Williams,Joseph Lukens,Pavel Lougovski和Nicholas Peters(左起)展示了两个量子比特上的两个同时操作,这是一种代表量子计算构建模块的新功能。

由Carlos Jones /美国能源部橡树岭国家实验室提供。

对于他们的实验,该团队使用了包含在单股光纤电缆中的两个纠缠光子。因为光子穿过同一装置,所以保持了对光子的稳定性和控制。“当光子在设备中采用不同的路径时,它们会经历不同的相位变化,从而导致不稳定,”该团队研究员Brian Williams说。

研究人员在光纤中的两个纠缠频率二值量子位上并行实现了不同的量子门。该团队的量子频率处理器允许它操纵光子的频率以实现叠加,即允许量子计算机同时执行操作的状态。通过这种量子操作,研究人员能够控制相邻光谱箱之间的光谱重叠,观察频率仓干扰,并展示97%的干涉可见度(即,衡量两个光子的相似程度)。这些结果表明光子的量子态实际上是相同的。通过将这种可调性与频率并行化相结合,研究人员能够在纠缠的量子比特上合成独立的门。

研究人员应用一种与机器学习相关的统计方法:贝叶斯推理,来确认量子处理器上的操作是以高保真度和绝对控制完成的。

“许多研究人员正在谈论用光子进行量子信息处理,甚至使用频率,”研究员Joseph Lukens说。“但是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,并以不同的方式对它们进行操作。”

基于该团队的结果显示,Lukens表示“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以适用于推进量子计算的方式对其进行修改。”而一旦量子计算机的构建块到位,他继续用说,“我们就可以开始连接量子器件来构建量子互联网,这是下一个令人兴奋的步骤。”

该团队认为,利用现有的耗资数十亿美元光纤网络基础设施是切实可行的。它在并行频率仓比特上实现闭合,用户定义的门可以用于开发光纤兼容的量子信息处理和量子网络。

该研究发表在Optica上,OSA的出版物,光学学会