我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)跨越7公里的分布式光量子計(jì)算
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】分布式光量子計(jì)算是一種利用多個量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)算力資源共享的計(jì)算模式。隨著量子比特的增加，傳統(tǒng)的單臺量子計(jì)算機(jī)面臨著信號串?dāng)_、布線、制冷等技術(shù)限制，難以滿足大規(guī)模計(jì)算任務(wù)的需求。而分布式量子計(jì)算通過將計(jì)算任務(wù)分散到多個量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，利用量子糾纏和隱形傳送等量子通信手段，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同計(jì)算，從而大幅提升計(jì)算效率。然而，非局域量子門之前僅在數(shù)十米的尺度下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。
近日，中國科大郭光燦院士團(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)量子存儲和量子門隱形傳送協(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，并演示了分布式的Deutsch-Jozsa算法及量子相位估計(jì)算法。這項(xiàng)研究標(biāo)志著首次在城市距離上實(shí)現(xiàn)了分布式光量子計(jì)算的演示，為規(guī)?；孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。
研究團(tuán)隊(duì)基于量子門隱形傳送協(xié)議來建立兩個量子節(jié)點(diǎn)之間的非局域量子門。兩個量子節(jié)點(diǎn)之間的直線距離為7公里。在研究過程中，團(tuán)隊(duì)首先在兩個量子節(jié)點(diǎn)間使用通信波段光子和專線光纜進(jìn)行量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，兩個節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。為了支持兩個遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的量子通信與同步，團(tuán)隊(duì)采用了摻銪硅酸釔晶體材料，實(shí)現(xiàn)了糾纏態(tài)的長時間存儲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個節(jié)點(diǎn)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(dá)88.7%。
此外，固態(tài)量子存儲器的糾纏存儲時間達(dá)到了80.3微秒，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(dá)到了1097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升?；诜蔷钟蛄孔娱T，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在兩個遠(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。
這一成果不僅展示了基于量子存儲和通信光纜構(gòu)建分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可行性，還為規(guī)?；孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。分布式光量子計(jì)算不僅有望突破單臺量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)限制，還能通過整合多個量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)的算力資源，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。
未來，隨著量子通信和量子計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式光量子計(jì)算有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如密碼學(xué)、材料科學(xué)、藥物研發(fā)等。它將為人類解決復(fù)雜問題提供新的方法和手段，推動科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。
相關(guān)研究成果Nonlocal photonic quantum gates over 7.0 km于近日發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。
參考資料來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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