光量子最新研究：构建波形容错量子比特门

 

“信号”光子和“闲散”光子的相互作用

（图片来源：网络）

最近，德国汉诺威莱布尼茨大学的研究人员进行了一项研究，探讨了量子计算机实现飞行量子比特门的可能性，这种门对光子的波形不敏感，并且在处理过程中完全保留光子形状。该研究论文已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

该研究团队成员Ihar Babushkin说：“量子技术的发展有几种候选架构，包括超导体、离子阱、固态、光量子等。但无论采用哪种架构，光量子都将发挥重要作用。因为几乎在所有架构中，光子无疑是量子信息比特（量子比特）间的媒介。”

而光量子计算机的独特之处在于：光子不仅能够调解量子比特之间的相互作用，其本身也是量子比特。由于光子不受退相干的影响（即环境与量子比特相互作用并改变其量子态的过程，导致量子比特存储的信息丢失），因此它们是能安全携带量子信息的理想选择。

Babushkin解释说：“光子不受退相干影响，因为光子间不会发生相互作用，同时光子也几乎不与其他物质相互作用。但想要操纵光子，就成了问题：光子间缺乏相互作用使得操纵光子变得困难，由此很难执行量子计算。尽管如此，光子在信息处理方面的优越性以及可在室温下运行的优势，仍促使世界各地的团队将该方向作为主要研究路线之一。”

现在，受关注最高的光子信息处理方法有两种：“基于测量的计算”，只需要线性光学元件，例如光子分束器和辅助光子的测量；相干光子转换（CPC），采用放大非线性光学相互作用的技术，促使光子间发生作用。

这两种方法有个同样的局限条件：即都需要“全同”的输入光子（在时间和空间上无法区分且彼此不相关）。

Babushkin说：“这是必需条件，因为如果光子变得可区分，则会打破它们的量子干涉。这是一个严重的限制条件，它要求同一光子源产生的所有光子都完全独立，然而由同一光子源产生大量全同的光子并非易事。”

该研究团队提出：可以使用CPC方法的变体来突破局限性。他们在理论上证明了CPC可用于实现量子比特门，在操控相互作用的、非全同的、可区分的光子时保留了其时空光子特性。

Babushkin说：“在这种方法中，相互作用的光子和强激光泵都以不同的速度传播，并在某个时候相遇，此时，光子之间的相互作用以‘尖锐’的互动形式出现，作用时间可以小到数百阿托秒（1阿托秒是10-18 秒），在空间尺度上只有几纳米。这个锋面的大小取决于原子可以对光学激发做出反应的最大速度。”

该研究团队表明：一旦相互作用光子的波形（即脉冲形状）远大于阿托秒尺度，光子波形的分离部分就会被独立处理，从而使系统中光子的波形保持不变。

未来，该小组将通过实验来验证他们的理论预测的正确性。一旦被验证，他们的工作可以为开发性能更好的光子信息处理系统铺平道路。他们将把单量子比特门的成果扩展到整个框架，以波形容错光量子门执行计算，加速全光量子计算机的实现。

原文链接：

https://phys.org/news/2022-04-highlights-possibility-wave-shape-tolerant-qubit-gates.html

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.090502#fulltext

文：Ingrid Fadelli

编译：卉可

编辑：慕一

注：本文编译自“ phys”，不代表量子前哨观点。