可編程離子為通用量子計(jì)算機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

（文章來源：光通訊網(wǎng)）

量子計(jì)算機(jī)在一些棘手的問題上能夠保證快速的解決，但是制造大規(guī)模的，通用的量子設(shè)備是一個(gè)充滿技術(shù)挑戰(zhàn)的問題。到目前為止，許多研究小組創(chuàng)建了很多小的但具有功能的量子計(jì)算機(jī)。通過結(jié)合少數(shù)幾個(gè)原子，電子或超導(dǎo)結(jié)，研究人員現(xiàn)在能夠經(jīng)常展示量子效應(yīng)和運(yùn)行簡單的量子算法——致力于解決特定的問題的小程序。

但這些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備往往只能固定運(yùn)行一個(gè)程序或量子成分之間相互作用的有限的固定模式。制造一個(gè)可以運(yùn)行任意算法的量子計(jì)算機(jī)需要正確的物理系統(tǒng)和一套編程工具。被附近電極的電場限制住的原子性離子是滿足這些需求的最有前途的平臺之一。

該新模塊是建立在幾十年來關(guān)于捕獲和控制離子的研究基礎(chǔ)上的。其使用標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，但也引進(jìn)了新的控制和測量方法。這包括使用一個(gè)緊密聚焦的激光束陣列來一次性操縱多個(gè)離子，以及提供用于觀察每個(gè)離子的輝光的檢測通道?！斑@些類型的發(fā)現(xiàn)就是國家自然科學(xué)基金會物理學(xué)前沿中心計(jì)劃想要支持的，這項(xiàng)工作處在量子計(jì)算的前沿，它有助于奠定基礎(chǔ)，并使實(shí)用量子計(jì)算更接近現(xiàn)實(shí)?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)用三個(gè)已知可以被量子計(jì)算機(jī)迅速求解的問題的小型實(shí)例來測試了他們的模塊。具有用不同的問題來測試模塊的靈活性是一個(gè)重大的進(jìn)步，Shantanu Debnath說，他是聯(lián)合量子研究所的研究生以及本論文的第一作者。“通過直接連接任何量子比特對，我們可以重新配置系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)任何算法，”Debnath說?！半m然這只是五個(gè)量子比特，但是我們知道如何將同樣的方法運(yùn)用到更大的集合中去?！?/p>

盡管在該模塊的內(nèi)部還是有一些東西不是量子的：一個(gè)數(shù)據(jù)庫存儲著驅(qū)動(dòng)量子邏輯門——量子算法的基本單元——的激光脈沖的最佳形狀。這些形狀是用普通計(jì)算機(jī)提前計(jì)算好的，然后該模塊用軟件來將算法翻譯成數(shù)據(jù)庫中的脈沖。每一個(gè)量子算法由三個(gè)基本成分組成。首先，量子比特被預(yù)設(shè)在一個(gè)特定的狀態(tài);然后，他們經(jīng)過一系列的量子邏輯門;最后，量子測量提取出算法的輸出結(jié)果。

該模塊使用不同顏色的激光來執(zhí)行這些任務(wù)。一種顏色的光使用一種被稱為光泵浦的技術(shù)來準(zhǔn)備離子，在這個(gè)過程中每個(gè)量子比特會被照射直到其處于合適的量子能態(tài)。在過程結(jié)束時(shí)這個(gè)相同的激光還會幫助讀出每個(gè)原子性離子的量子態(tài)。在這之間，另一個(gè)單獨(dú)的激光會轟擊離子以驅(qū)動(dòng)量子邏輯門。

這些邏輯門就像是使普通計(jì)算機(jī)能夠工作的開關(guān)和晶體管。在這里，激光推動(dòng)離子并將其內(nèi)部量子比特的信息耦合到它們的運(yùn)動(dòng)中，從而使模塊中的任何兩個(gè)離子能夠通過其強(qiáng)大的電斥力進(jìn)行相互作用。整個(gè)鏈上的兩個(gè)離子通過這種相互作用來互相通知對方，就像在“牛頓擺”中抬起和釋放其中一個(gè)球能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到另一邊去。

為了測試這個(gè)模塊，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)行了三個(gè)不同的量子算法，包括演示量子傅里葉變換(QFT)，其會找出一個(gè)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)重復(fù)的次數(shù)有多頻繁。這是Shor量子分解算法的一個(gè)關(guān)鍵部分，如果其運(yùn)行在一個(gè)足夠大的量子計(jì)算機(jī)上的話，將會破解一些目前在互聯(lián)網(wǎng)上最廣泛使用的安全標(biāo)準(zhǔn)。

其中兩個(gè)算法成功運(yùn)行了超過90%的時(shí)間，而量子傅里葉變換突破了70%的成功率。該研究團(tuán)隊(duì)說，這是由于脈沖整形邏輯門的殘余誤差以及計(jì)算過程中累積的系統(tǒng)誤差造成的，這兩個(gè)誤差在根本上都不是無法逾越。他們指出，量子傅里葉變換算法需要所有可能的量子比特對邏輯門，其應(yīng)該是最復(fù)雜的量子計(jì)算之一。

該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，最終更多的比特——也許多達(dá)100個(gè)——可以添加到他們的量子計(jì)算機(jī)模塊中。將單獨(dú)的模塊鏈接在一起也是可能的，無論是通過物理上移動(dòng)離子還是通過使用光子來在它們之間攜帶信息。

雖然該模塊只有五個(gè)量子比特，但是其靈活性使得其能夠編寫以前從來沒有運(yùn)行過的量子算法，Debnath說。這些研究人員目前正在研究在一個(gè)模塊上運(yùn)行具有更多量子比特的算法，包括作為由美國情報(bào)先進(jìn)研究計(jì)劃(Intelligence Advanced Research Projects Activity,IARPA)資助的一個(gè)項(xiàng)目的一部分的量子糾錯(cuò)例程示范。
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