基于俘获离子的可扩展可编程量子声子处理器

发布时间：2023-03-18 17:10:23 栏目：生活

导读 量子计算系统有可能在某些任务上优于经典计算机，有助于在更短的时间内解决复杂的现实问题。因此，世界各地的研究团队一直试图通过创建和测

量子计算系统有可能在某些任务上优于经典计算机，有助于在更短的时间内解决复杂的现实问题。因此，世界各地的研究团队一直试图通过创建和测试不同的量子系统来实现与传统计算机相比的这种量子优势。



清华大学的研究人员最近开发了一种带有俘获离子的新型可编程量子声子处理器。该处理器在Nature Physics的一篇论文中介绍，可能比其他先前提出的光子量子处理器更容易扩大尺寸，最终可以在复杂问题上实现更好的性能。

“最初，我们对斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)和其他人关于玻色子采样的提议感兴趣，这可能会显示出简单线性光学和光子的量子优势，”进行这项研究的研究人员之一Kihwan Kim告诉 Phys.org。“我们想知道是否有可能用捕获离子系统中的声子来实现它。

使用声子(即声波或基本振动)来创建量子计算系统在理论上已经探索了一段时间。然而，近年来，物理学家创造了俘获离子系统，创造了使用声子作为量子信息处理资源所必需的技术，而不仅仅是纠缠量子比特的中介。

“已经表明，谐波电位的声子可以相干地转移到另一个谐波电位，这些声子可以相互干扰，”Kihwan Kim解释说。“当我们了解到改进的玻色子采样(高斯玻色子采样)也可以应用于化学问题(即振动采样)时，我们展示了SO2分子并开发了一种创建高度纠缠的声子状态的方法;然而，这仅限于单个离子。在这项工作中，我们最终以可扩展的方式实现了声子网络，克服了单离子的限制。

Kihwan Kim和他的同事创建的系统是一个可编程的玻色子网络，该网络由一组玻色子模式组成，通过可控的分束器相互连接。他们使用声子实现了这个网络，声子是集体振动模式的激发，也是玻色子。

“我们的系统是可扩展的，因为集体振动模式的数量随着离子的数量成比例地增加，我们展示了如何以可编程的方式使用额外的振动模式和离子，”Kihwan Kim说。“基本上，我们通过正确分配的量子比特来控制振动模式。我们可以通过控制单独寻址的激光束的相位和持续时间来编程每个分束器的相位和比率。

Kihwan Kim及其同事创建的声子量子处理器与先前提出的玻色子网络相比具有几个优势。首先，确定性地制备和检测处理器中声子的输入和输出;此外，随着时间的推移，声子的损失是最小的，而在其他基于光子损失的玻色子网络中是一个需要克服的问题。

“玻色子采样可以成为量子算法和模拟中某些任务的强大工具，”参与这项研究的帝国理工学院另一位研究员Myungshik Kim告诉 Phys.org。“虽然玻色子采样主要由光子实现，但实现可扩展玻色子采样存在技术困难，因为单光子生成是概率性的，芯片上的光子损耗很高。在我们的工作中，我们使用谐波势中的离子声子而不是光子。这样做的明显优势是我们可以确定性地生成声子的量子态，并且在此过程中不会丢失声子。

玻色子采样是一种量子计算模型，对于使用量子算法或模拟处理某些任务非常有利。玻色子采样通常使用几种不同的技术来实现。

Kihwan Kim，Myungshik Kim和他们的同事能够在一个平台上实现所有这些技术，这对于开发更大的系统可能具有显着的优势。这是通过重建声子在其网络中的状态来实现的。

未来，他们创建的声子网络可以扩大规模，以实现大规模和可编程的玻色子采样。此外，他们的工作可以激发其他基于声子和俘获离子的可编程量子网络的发展。

“现在，对我们来说，重要的是扩大我们的系统，并希望用它来展示量子优于经典计算的优势，”Kim补充道。“同时，我们也可能尝试用量子比特控制的分束器实现连续变量的通用量子计算。