跨越7公里！我國科學家研究分布式光量子計算獲重要進展

能不能用量子通信網(wǎng)連接多臺量子計算機，讓它們遠程凝聚出“超級量子算力”？記者10月6日從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊的李傳鋒、周宗權、柳必恒等人，近期基于多模式固態(tài)量子存儲和量子門隱形傳送協(xié)議，在合肥市區(qū)實現(xiàn)跨越7公里的非局域量子門，并演示了分布式的多伊奇-喬薩算法及量子相位估計算法。國際權威學術期刊《自然·通訊》日前發(fā)表了相關研究成果。

量子計算是當前國際科研的重要領域，多個國家都在研制性能更為強大的量子計算機。一個思路是在一臺量子計算機上實現(xiàn)越來越多的量子比特，但隨著量子比特的增加，會出現(xiàn)信號串擾以及布線、制冷等方面的技術限制。因此，研制多臺量子計算機，讓它們遠程互聯(lián)合力實現(xiàn)分布式量子計算，近年來成為量子計算研究的新思路。

但是，分布式量子計算存在一系列技術難點，之前的非局域量子門運算只能在數(shù)十米距離中實現(xiàn)，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡中整合算力資源的需求。

近期，郭光燦院士團隊基于量子門隱形傳送協(xié)議，建立兩個量子節(jié)點之間的非局域量子門，這兩個量子節(jié)點分別位于中國科學技術大學東校區(qū)和合肥市大蜀山東側，之間的直線距離為7公里。

在合肥市區(qū)跨越7公里的非局域量子門示意圖。（研究團隊供圖）

研究團隊首先在兩節(jié)點間使用通信波段光子和專線光纜，進行量子糾纏態(tài)的遠程分發(fā)。隨后，兩個節(jié)點分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。一個重要的技術突破是，他們采用摻銪硅酸釔晶體材料，實現(xiàn)了糾纏態(tài)的長時間存儲，從而支持了兩個遠距離節(jié)點間的量子通信與同步，進一步的本地單比特操作即可把本地的兩比特量子門隱形傳送為遠距離的兩比特量子門。

實驗結果表明，兩個節(jié)點的光子之間完成了兩比特非局域量子門操作，其中受控非門的保真度達88.7%。固態(tài)量子存儲器的糾纏存儲時間相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲的時間模式數(shù)達1097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升。基于非局域量子門，研究團隊進一步在這兩個遠程節(jié)點間演示了兩比特的多伊奇-喬薩算法以及量子相位估計算法，成功實現(xiàn)了量子算法的遠程分布式執(zhí)行。

研究人員介紹，該研究首次在城市距離上實現(xiàn)分布式光量子計算演示，展示了基于量子存儲和通信光纜構建分布式量子計算網(wǎng)絡的可行性，為實現(xiàn)規(guī)?；孔佑嬎闾峁┝诵滤悸?。

《自然·通訊》雜志審稿人對此給予高度評價，認為“該研究在實現(xiàn)量子網(wǎng)絡方面取得了重要進展，它開辟了一個新的實驗方向去實現(xiàn)分布式量子信息處理”。