研究人员对基于测量的量子计算采取了不同的方法
Atsushi Sakaguchi和他的团队正在探索利用光来生产基于测量而不是基于门的量子计算机的可能性。图片来源：RIKEN
在过去的几年里，开发量子计算机的竞赛确实升温了。最先进的系统现在可以使用数十个量子比特（或量子比特）运行简单的算法，这些量子比特是量子计算机的构建块。
这种成功大部分是在所谓的基于门的量子计算机中取得的。这些计算机使用物理组件，尤其是超导电路，来托管和控制量子比特。这种方法与传统的、基于设备的经典计算机非常相似。因此，这两种计算架构相对兼容，可以一起使用。此外，未来的量子计算机可以通过利用用于制造传统计算机的技术来制造。
但理化学研究所量子计算中心的光量子计算研究团队一直在采取一种非常不同的方法。Atsushi Sakaguchi、Jun-ichi Yoshikawa 和团队负责人 Akira Furusawa 一直在开发基于测量的量子计算，而不是优化基于门的量子计算机。
基于测量的计算
基于测量的量子计算机在称为簇态的复杂量子态中处理信息，该量子态由三个（或更多）量子比特组成，这些量子比特通过称为纠缠的非经典现象连接在一起。纠缠是指两个或多个量子粒子的特性保持联系，即使相隔很远。
基于测量的量子计算机通过对集群状态中的第一个量子比特进行测量来工作。此测量的结果决定了对第二个纠缠量子比特执行的测量，该过程称为前馈。然后，这决定了如何测量第三个。通过这种方式，任何量子门或电路都可以通过适当选择一系列测量来实现。
基于测量的方案在光量子计算机上使用时非常有效，因为它很容易在光学系统中纠缠大量量子态。这使得基于测量的量子计算机可能比基于门的量子计算机更具可扩展性。对于后者，需要精确制造和调整量子比特以实现均匀性，并在物理上相互连接。通过使用基于测量的光量子计算机，这些问题可以自动解决。
重要的是，基于测量的量子计算在光学系统中提供了可编程性。“我们可以通过改变测量来改变操作，”Sakaguchi 说。“这比更换硬件要容易得多，因为基于门控的系统在光学系统中需要。
但前馈是必不可少的。“前馈是一种控制方法，我们将测量结果作为控制形式提供给系统的不同部分，”Sakaguchi 解释道。“在基于测量的量子计算中，前馈用于补偿量子测量中固有的随机性。如果没有前馈操作，基于测量的量子计算将变得具有概率性，而实际的量子计算将需要具有确定性。
来自东京大学、捷克共和国帕拉茨基大学、澳大利亚国立大学和澳大利亚新南威尔士大学的光学量子计算研究团队及其同事现在已经展示了一种更先进的前馈形式：非线性前馈。在基于光学的量子计算机中实现全范围的电位门需要非线性前馈。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
“我们现在已经使用一种新的非线性前馈技术进行了非线性正交测量的实验演示，”Sakaguchi解释道。“这种类型的测量以前一直是在基于光学测量的量子计算中实现通用量子操作的障碍。
基于门的量子计算机正变得越来越普遍。但是，RIKEN量子计算中心的光量子计算研究团队一直在开发基于测量的量子计算，其数字电路用于电光控制（如图）。与基于门的量子计算相比，基于测量的系统可能更具可扩展性。图片来源：RIKEN
光学计算机
光量子计算机使用由光波包组成的量子比特。在其他机构中，RIKEN目前的一些团队之前已经构建了基于测量的量子计算所需的大型光团簇态。线性前馈也已实现，以构建简单的栅极操作，但更高级的栅极需要非线性前馈。
2016年提出了一种非线性正交测量的实际实现理论。但这种方法带来了两个主要的实际困难：生成一个特殊的辅助状态（该团队在 2021 年实现了这一目标）和执行非线性前馈操作。
该团队通过复杂的光学器件、特殊的电光材料和超快电子器件克服了后一个挑战。为此，他们利用了数字存储器，其中所需的非线性函数被预先计算并记录在存储器中。“测量后，我们将光信号转换为电信号，”Sakaguchi解释道。“在线性前馈中，我们只是放大或衰减该信号，但我们需要对非线性前馈进行更复杂的处理。
这种非线性前馈技术的主要优点是其速度和灵活性。该过程需要足够快，以便输出可以与光量子态同步。
“现在我们已经证明我们可以执行非线性前馈，我们希望使用我们之前开发的系统将其应用于基于实际测量的量子计算和量子纠错，”Sakaguchi说。“我们希望能够提高非线性前馈的更高速度，以实现高速光量子计算。
“但关键的信息是，尽管基于超导电路的方法可能更受欢迎，但光学系统是量子计算机硬件的一个有前途的候选者，”他补充道。
更多信息：Atsushi Sakaguchi 等人，支持量子计算的非线性前馈，Nature Communications （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-39195-w
期刊信息： Nature Communications
来自：量子梦