在光学量子计算拼图中发现的缺失块

确定性,高保真,两位量子逻辑门

电子与系统工程学系副教授沈荣聪开发了一种确定性的高保真双位量子逻辑门,利用了一种新形式的光。这种新的逻辑门比目前的技术效率高几个数量级。信誉:j钦申

直到现在,一个有效的两位量子逻辑门一直没有到达。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的研究发现了光量子计算之谜中缺失的一块。

Jung-Tsung沉,普雷斯顿M.绿色电气与系统工程系副教授,开发了一种确定性,高保真两位量子逻辑门,利用了一种新的光形式。这种新的逻辑门比目前的技术效率高几个数量级。

“在理想的情况下,保真度可以高达97%,”沉说。

他的研究发表于2002年5月在期刊物理评论一个

量子计算机的潜力符合叠加的不寻常性质 - 量子系统在同一时间和缠结的情况下含有许多不同的属性的能力 - 以及纠缠的术语,就好像它们在非古典中相关尽管彼此身体地被移除,但仍然存在。

在传统计算机中,电压决定一个比特(1或0)的值,研究人员通常使用单个电子作为“量子位”,即量子等效物。电子有几个特性很适合这项任务:它们很容易被电场或磁场操纵,而且它们彼此相互作用。交互作用是一个好处,当你需要两个比特纠缠-让荒野的量子力学显示。

但它们相互作用的倾向也是一个问题。从杂散磁场到电力线,一切都能影响电子,使它们难以真正控制。

然而,在过去的二十年中,一些科学家一直试图将光子用作Qubits而不是电子。“如果电脑会有真正的影响,我们需要研究使用光线创建平台,”沉说。

光子不带电荷,这会导致相反的问题:它们不像电子那样与环境相互作用,但它们彼此之间也不相互作用。设计和创造特别的(有效的)光子间相互作用也是一个挑战。至少传统思维是这样的。

不到十年前,研究这个问题的科学家们发现,即使它们在进入一个逻辑门时没有纠缠,当它们离开时测量两个光子的行为导致它们表现得好像它们已经纠缠了。测量的独特特征是量子力学的另一种狂野表现。

“量子力学并不难,但它充满了惊喜,”沈南鹏说。

测量方法的发现是开创性的,但并没有完全改变游戏规则。这是因为每100万个光子中,只有一对光子纠缠在一起。研究人员后来取得了更大的成功,但是,沈说,“对于计算机来说还不够好”,因为计算机每秒要执行数百万到数十亿次操作。

由于发现了一类新的量子光子状态 - 光子二聚体,光子在空间和频率缠结的情况下,沉沉能够构建具有这样的效率。他对其存在的预测在2013年在实验上验证,自从寻找这种新的光明申请。

当单个光子进入逻辑门时,没有什么是值得注意的 - 它进入并出现。但是当有两张光子时,“那是我们预测这两个可以制造一个新状态,光子二聚体。事实证明,这种新状态至关重要。“

Jung-Tsung Shen设计了两位量子逻辑门

高保真,两位逻辑门,由Jung-Tsung Shen设计。信誉:j钦申

从数学上讲,有许多方法可以设计二进制运算的逻辑门。这些不同的设计称为等效设计。Shen和他的研究小组设计的具体逻辑门是控制相位门(或控制z门)。相位控制门的主要功能是,两个出来的光子处于两个进来的光子的负状态。

“在古典电路中,没有减号,”沉说。“但在量子计算中,它结果消失了,并且至关重要。”

“量子力学并不困难,但它充满了惊喜。”

-沉尖沉

当两个独立的光子(代表两个光学QUBITS)进入逻辑门时,“逻辑门的设计使得两张光子可以形成光子二聚体”,“沉说。“事实证明,新量子光子状态至关重要,因为它使输出状态能够具有对光学逻辑操作至关重要的正确标志。”

沈教授一直在和密歇根大学一起测试他的设计,这是一种固态逻辑门,可以在适度的条件下工作。他说,到目前为止,结果似乎是积极的。

沉说,这结果,而对大多数人感到困惑,就像知道那些人一样清楚。

“这就像一个谜题,”他说。“做到这一点可能很复杂,但一旦完成了,只是瞥了一眼,你会知道这是正确的。”

参考文献:“由光子二聚体使能的双光子控制相位门”,陈子豪,周耀,沈宗聪,顾培成,Duncan Steel, 2021年5月21日,物理评论一个
DOI:10.1103 / physreva.103.052610

本研究由国家自然科学基金资助,ECCS资助(1608049和1838996)。它还获得了2018年美国国家科学基金会量子飞跃奖(RAISE)的支持。

位于圣路易斯的华盛顿大学麦凯维工程学院促进独立探究和教育,强调科学卓越、创新和无边界的合作。麦凯维工程拥有顶尖的研究和研究生项目,特别是在生物医学工程、环境工程和计算机领域,并拥有全国最挑剔的本科项目之一。我们有140名专职教师,1387名本科生,1448名研究生和21000名在世校友,我们正在努力解决一些社会上最严峻的挑战;培养学生成为领导者,并在职业生涯中不断创新;并成为圣路易斯地区及其他地区经济发展的催化剂。

4评论关于“光量子计算之谜中的缺失部分”

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  3. “量子力学并不难,但它充满了惊喜,”沈南鹏说。多么棒的引用。我要亚历克斯吃的那种。

  4. 亚历克斯✓

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