新型多层量子系统,构建通用量子计算机更简单

量子计算机将能够解决那些即使最强大的传统超级计算机也无能为力的问题。然而,量子革命的道路上有一个巨大的阻碍——量子态的不稳定性。

量子计算机之所以这么难建造,是因为直到现在科学家还没找到一种简单的方法控制量子比特组成的复杂系统。该研究发现了一种新途径:论文作者们使用一个处于多种状态的系统,而不是把多个两态系统( two-state systems)合为一体。这种方法被证明更加有效,因为创造一个稳定的多层系统(multi-level system)比维持复杂系统的稳定性更容易。

一个多层级量子系统-ququart

莫斯科物理技术研究所(MIPT)和俄罗斯量子中心(Russian Quantum Center)的物理学家们发现了一种新方法,可以更容易地建造出通用量子计算机,他们利用多层量子系统(qudits),每个系统都能作用于多个「传统」量子元素-量子比特。

MIPT 量子信息理论实验室的科学主管,同时也是列别捷夫物理研究所(Lebedev Physical Institute)成员之一的 Vladimir Man’ko 教授,俄罗斯量子中心的成员之一 Aleksey Fedorov,以及他的同事 Evgeny Kiktenko,在《物理评论 A(Physical Review A)》、《物理快报A(Physics Letters A)》、Quantum Measurements、以及 Quantum Metrology 期刊上发表了一系列关于多层量子系统的研究论文。

「在我们的研究中,我们证明了复合量子系统中量子信息技术使用的相关性近似也会出现在非复合系统中,我们认为这种系统在特定情况下更容易操控。特别地,在最新的论文中,我们提出了在一个八层级系统中利用内自由度之间的纠缠实现量子传送协议的方法,之前我们用三个二层级系统实验性地实现过这个协议,」 Vladimir Man’ko 说。

量子计算机很有可能为计算机技术带来一次革命,构建量子计算机的基本处理单元叫做量子比特-qubit。传统计算机的基本单元(比特)可以有两种状态(逻辑 0 和逻辑 1),而基于量子物体的量子比特则能处在两种状态的相干叠加态上,也就是说它们可以对逻辑 0 和 1 之间的中间态编码。当一个量子比特被测量时,测出的结果的有一定的概率是 0 或 1(这由量子力学定律决定)。

在量子计算机中,某个特定问题的初始条件是写在量子系统的初始状态上的,然后这些量子比特就会进行某种特定的交互(由具体问题决定),最后,用户通过测量量子比特的最终状态得到问题的答案。

量子计算机将能够解决那些即使最强大的传统超级计算机也无能为力的问题。比如说,在密码学中,破解 RSA 算法要进行大数字的质因子分解,一台传统计算机所需要的时间跟宇宙的年龄差不多长。而如果用一台量子计算机,则能用几分钟就解决问题。

然而,量子革命的道路上有一个巨大的阻碍——量子态的不稳定性。离子、电子、约瑟夫结(Josephson junctions)等这些用于构建量子比特的量子态物体只能在很短的时间内维持一定的量子态。但是完成量子计算不仅需要量子比特维持他们的状态,还需要他们彼此相互作用。全世界的物理学家都在努力延长量子比特的寿命。超导量子比特以前只能「存活」几纳秒,而现在他们能让这些量子比特在退相干前维持几毫秒的稳定-这与计算需要的时间更接近了。

但是对于一个有成百上千量子比特的系统中,这个问题本质上就更复杂了。

Man’ko、 Fedorov 和 Kiktenko 则开始从另一个角度看待这个问题,他们不再试图维持一个大型量子比特系统的稳定,而是去尝试增加系统要求计算能力的维度。他们正在探索用多层量子系统(qudit)而不是量子比特进行计算的可能性。多层量子系统中的量子态物质有两个以上的可能状态(层级)。比如三层级的 qutrits,四种状态的 ququarts 等。有可能证明使用 qudit 比用量子比特更有效,相关算法正被积极的研发。

「一个有四五个层级的 qudit 可以像一个普通的两量子比特系统一样工作,而八层级则足以模拟一个三量子比特系统。一开始我们把这看作是一个数学等式,能让我们得到新的熵干涉。比如,我们得到了孤立在一个四五层级系统的状态空间中虚拟量子比特之间的交互信息(干涉的测量值),」Fedorov 说道。

他和同事证明,在一个用人造原子建造的五层级的 qudit 中进行完整的量子计算是可行的,尤其对于 Deutsch 算法的实现。这种算法被设计用来检测大量二进制变量的值。

它可以被叫做伪币算法:想象你有一大堆硬币,有些是伪造的-它们正反面的图案跟真币是一样的。如果用「 传统方法」找出这些假币,你必须两面都检查。但用 Deutsch 算法你就能把一个硬币的正反两面「合并」起来,所以只需要检查一面就能找到假币了。

用多层级系统模仿多量子比特过程的想法早先被喀山物理科技研究所(Kazan Physical-Technical Institute)的俄罗斯物理学家提出过。比如,他们提出用一个有四种不同状态的 3/2 核自旋来运行二量子比特 Deutsch 算法。近年来,在超导电路中创造量子比特的实验已经显现出了好几点优势。

然而超导电路需要五个层级:第五层作为辅助,以实现整套所有可能的量子操作。

Fedorov 表示「我们取得了很大的进展,因为在确定的物理运作中控制多层级 qudits 比控制有同样多量子比特数的系统更容易,而且这意味着我们距离建造出一个成熟的量子计算机更近了一步。在其它量子技术中,多层级元素也有很大的优势,比如量子加密。」

参考文献:

1. E.O. Kiktenko, A.K. Fedorov, V.I. Man’ko. Teleportation in an indivisible quantum system. Quantum Measurements and Quantum Metrology, 2016; 3 (1) DOI: 10.1515/qmetro-2016-0003

2. E. O. Kiktenko, A. K. Fedorov, O. V. Man'ko, V. I. Man'ko. Multilevel superconducting circuits as two-qubit systems: Operations, state preparation, and entropic inequalities. Physical Review A, 2015; 91 (4) DOI: 10.1103/PhysRevA.91.042312

3. E.O. Kiktenko, A.K. Fedorov, A.A. Strakhov, V.I. Man'ko. Single qudit realization of the Deutsch algorithm using superconducting many-level quantum circuits. Physics Letters A, 2015; 379 (22-23): 1409 DOI:10.1016/j.physleta.2015.03.023

本文选自:Science Daily,机器之心编译;

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