跨越7公里分佈式光量子計算實現

來源:科技日報

7日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊基於多模式固態量子存儲和量子門隱形傳送協議，在合肥實現跨越7公里的非局域量子門，並演示了分佈式的多伊奇—喬薩算法及量子相位估計算法。研究成果日前發表在國際期刊《自然·通訊》上。

量子計算是當前國際科研的重要領域。目前，傳統的做法是在一臺量子計算機上實現越來越多的量子比特。但隨着量子比特的增加，信號串擾以及佈線、製冷等方面的技術限制可能出現。因此，研製多臺量子計算機，讓它們遠程互聯合力實現分佈式量子計算從而在遠程形成“超級量子算力”，成爲量子計算研究的新思路。

作爲解決量子計算可擴展性難題的一條可行路徑，分佈式量子計算通過非局域量子門連接獨立的量子計算節點，從而整合量子網絡中的算力資源來實現量子計算規模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數十米的尺度下實現實驗演示，無法滿足在大尺度量子網絡中整合算力資源的需求。

研究團隊基於量子門隱形傳送協議，來建立兩個量子節點之間的非局域量子門。兩個量子節點之間的直線距離爲7公里，分別位於中國科學技術大學東校區和合肥市大蜀山東側。研究團隊首先在兩節點間使用通信波段光子和專線光纜進行了量子糾纏態的遠程分發。隨後，中國科學技術大學節點和大蜀山節點分別執行本地的兩比特量子門操作。中國科學技術大學節點採用摻銪硅酸釔晶體實現糾纏光子的存儲，直到接收到大蜀山節點的測量結果，並根據這一結果執行相應的單比特門操作。

實驗結果表明，中國科學技術大學節點的光子與大蜀山節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%。固態量子存儲器的糾纏存儲時間達到80.3微秒，並且糾纏存儲的時間模式數達1097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性提升。基於非局域量子門，研究團隊進一步在這兩個遠程節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，成功實現了量子算法的遠程分佈式執行。

研究人員表示，這項研究首次在城市距離上實現分佈式光量子計算的演示，展示了基於量子存儲和通信光纜構建分佈式量子計算網絡的可行性，爲規模化量子計算的實現提供了新思路。

審稿人高度評價該成果，認爲這是一項傑出的工作，它結合了幾項非常具有挑戰性的技術要素，包括糾纏光子對、光量子存儲器、城域量子通信，實現了首創性演示；它開闢了一個實現分佈式量子信息處理的新實驗方向。