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跨越7公里！我科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)分布式光量子計(jì)算

發(fā)布時(shí)間：2024/10/8 9:56:25編輯：Ma Liang
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10月7日，記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)、柳必恒等人基于多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)和量子門(mén)隱形傳送協(xié)議，在合肥市區(qū)實(shí)現(xiàn)了跨越7公里的非局域量子門(mén)，并演示了分布式的多伊奇-喬薩算法及量子相位估計(jì)算法。研究成果日前發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·通訊》上。

量子計(jì)算是當(dāng)前國(guó)際科研的重要領(lǐng)域。目前，傳統(tǒng)的做法是在一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多的量子比特。但隨著量子比特的增加，信號(hào)串?dāng)_以及布線、制冷等方面的技術(shù)限制可能出現(xiàn)。因此，研制多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，讓它們遠(yuǎn)程互聯(lián)合力實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算從而在遠(yuǎn)程形成“超級(jí)量子算力”，成為量子計(jì)算研究的新思路。

作為解決量子計(jì)算可擴(kuò)展性難題的一條可行路徑，分布式量子計(jì)算通過(guò)非局域量子門(mén)連接獨(dú)立的量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從而整合量子網(wǎng)絡(luò)中的算力資源來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算規(guī)模的提升。然而，非局域量子門(mén)目前僅在數(shù)十米的尺度下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示，無(wú)法滿(mǎn)足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。

研究團(tuán)隊(duì)基于量子門(mén)隱形傳送協(xié)議，建立兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的非局域量子門(mén)。兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的直線距離為7公里，分別位于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)東校區(qū)和合肥市大蜀山東側(cè)。研究團(tuán)隊(duì)首先在兩節(jié)點(diǎn)間使用通信波段光子和專(zhuān)線光纜進(jìn)行了量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，中國(guó)科大節(jié)點(diǎn)和大蜀山節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門(mén)操作。中國(guó)科大節(jié)點(diǎn)采用摻銪硅酸釔晶體實(shí)現(xiàn)糾纏光子的存儲(chǔ)，直到接收到大蜀山節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，并根據(jù)這一結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的單比特門(mén)操作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中國(guó)科大節(jié)點(diǎn)的光子與大蜀山節(jié)點(diǎn)的光子之間完成了兩比特非局域量子門(mén)操作，其中受控非門(mén)的保真度達(dá)88.7%。固態(tài)量子存儲(chǔ)器的糾纏存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到80.3μs，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲(chǔ)的時(shí)間模式數(shù)達(dá)1097個(gè)，使得非局域量子門(mén)的生成速率獲得了線性的提升�；诜蔷钟蛄孔娱T(mén)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在這兩個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)間演示了兩比特的多伊奇-喬薩算法以及量子相位估計(jì)算法，成功實(shí)現(xiàn)了量子算法的遠(yuǎn)程分布式執(zhí)行。

研究人員表示，這項(xiàng)研究首次在城市距離上實(shí)現(xiàn)分布式光量子計(jì)算的演示，展示了基于量子存儲(chǔ)和通信光纜構(gòu)建分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可行性，為規(guī)�；孔佑�(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。

審稿人高度評(píng)價(jià)該成果：這是一項(xiàng)杰出的工作，它結(jié)合了幾項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)要素，包括糾纏光子對(duì)、光量子存儲(chǔ)器、城域量子通信，實(shí)現(xiàn)了首創(chuàng)性的演示；它開(kāi)辟了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)方向去實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理。

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）