能源部橡树岭国家实验室的研究人员对量子信息编码的光子进行了新的控制。他们的研究成果发表在Optica上。
ORLL量子信息科学集团的研究科学家Joseph Lukens、布莱恩威廉斯、Nicholas Peters和Pavel Lougovski对编码在不同频率光子上的两个量子比特同时进行了独特的独立运算，这是线性光学量子计算的关键能力。量子比特是量子信息的最小单位。
使用频率编码量子比特的量子科学家已经能够在两个量子比特上并行执行单个操作，但是这对于量子计算来说还不够。Lougovski说：“要实现通用量子计算，你需要能够同时操作不同的量子比特，这就是我们在这里做的事情。
根据Lougovski的说法，该团队的实验系统——单根光纤电缆中包含两个纠缠光子——是“你能想象到的最小的量子计算机”。本文标志着我们基于频率的一般量子方法的首次证明计算。卢肯斯说：“许多研究人员都在谈论使用光子进行量子信息处理，甚至使用频率。“但没有人想到通过同一空间的同一光纤束发送多个光子，并以不同的方式操作它们。”该团队的量子频率处理器允许他们操纵光子的频率来实现叠加，这是一种能够进行量子操作和计算的状态。与为经典计算编码的数据位不同，以光子频率编码的叠加量子位的值为0和1，而不是0或1。这种能力允许量子计算机在比今天的超级计算机更大的数据集上同时执行操作。
使用他们的处理器，研究人员证明了97%的干涉可见度——两个光子之间相似性的度量——与类似研究中返回的70%的可见度进行了比较。他们的结果表明光子的量子态实际上是相同的。研究人员还应用了与机器学习相关的统计方法来证明操作是以非常高保真和完全可控的方式完成的。威廉姆斯说：“我们可以使用贝叶斯推断来提取更多关于我们实验系统量子状态的信息，而不是使用更常见的统计方法。“这项工作代表着我们团队的过程第一次回到了实际的量子结果。”
威廉姆斯指出，他们的实验装置提供了稳定性和控制力。“当光子在装置中走不同的路径时，它们会经历不同的相位变化，这将导致不稳定，”他说。“当它们通过相同的设备时，在这种情况下是纤维链，你有更好的控制。”
稳定性控制可以实现量子操作，从而保护信息，减少信息处理时间，提高能效。研究人员将他们正在进行的项目(从2016年开始)与要连接在一起实现大规模量子计算的构件进行比较。“在采取下一个更复杂的步骤之前，你必须采取一些步骤，”彼得斯说。“我们之前的项目专注于开发基本功能，因此我们现在可以在具有完整量子输入状态的完整量子域中工作。”Lukens说，该团队的结果表明，“我们可以控制量子比特的量子状态，改变它们的相关性，并使用标准电信技术以适合推进量子计算的方式对它们进行修改。”
他补充说，一旦量子计算机的所有构件都就位，“我们就可以开始连接量子设备来构建量子互联网，这是下一个令人兴奋的步骤。”从超级计算机到超级计算机，处理信息的方式多种多样，反映了不同的开发者和工作流程优先级，量子设备也会以不同的频率运行。这将使连接它们具有挑战性，因此它们可以像今天的计算机一样在互联网上交互。这项工作是该团队先前在标准电信技术中展示量子信息处理能力的延伸。此外，他们表示，利用现有的光纤网络基础设施进行量子计算是可行的：已经投入了数十亿美元，量子信息处理代表了一种新的用途。
研究人员表示，他们工作的“完整周期”非常令人满意。Lukens说：“我们一起开始了我们的研究，希望探索将标准电信技术用于量子信息处理，我们发现我们可以回到经典领域并对其进行改进。卢肯斯、威廉姆斯、彼得斯和洛夫斯基与普渡大学的研究生宣卢浩和他的顾问安德鲁韦纳合作。本研究得到了ORNL实验室指导的研发计划的支持。
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