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马克斯·普朗克量子光学研究所和ICFO-研究所的研究人员实现了不同实验室中，两个单独的量子模块之间的量子逻辑计算操作，使该系统成为分布式量子计算机的全球首个原型。相关论文发表《Science》上。
图1，量子计算抽象概念插图。来源：© metamorworks
先前的量子位体系的局限性
量子计算机与传统的“二进制”计算机有很大的不同：量子计算机的未来实现将很容易执行特定的计算，而传统计算机需要数月甚至数年的时间——例如在数据加密和解密领域。虽然二进制计算机的性能源于大内存和快速计算周期，但量子计算机的成功取决于这样一个事实：一个单一的存储单元——量子位，也称为“量子位”——可以同时包含不同可能值的叠加。因此，量子计算机不仅一次计算一个结果，而是并行计算许多可能的结果。量子计算机中相互连接的量子比特越多，它所能进行的计算就越复杂。
量子计算机的基本运算是两个量子位之间的量子逻辑门。这种操作会改变量子比特的量子力学状态，这取决于量子比特的初始状态。为了使量子计算机在各种计算方面优于普通计算机，它必须可靠地互连数十个，甚至数千个量子比特，以进行同样数千次的量子运算。尽管取得了巨大的成功，但目前所有的实验室仍在努力建造这样一台大型而可靠的量子计算机，因为每一个额外需要的量子比特都使得仅仅在一个装置中建造一台量子计算机变得更加困难。例如，量子比特是由单个原子、超导元素或轻粒子实现的，所有这些都需要彼此和环境完全隔离。相邻排列的量子位越多，就越难同时从外部隔离和控制它们。
量子计算的最大挑战是要实现可扩展的多量子位系统，该系统具有无串扰寻址能力和任意选择的量子位的有效耦合。量子网络是通过将较小的量子位模块集成到较大的计算群集中，有望成为一种解决方案。然而，这样的分布式体系结构需要在遥远的量子比特之间执行量子逻辑门的能力。
第一个基本的和完全相干的量子网络与遥远的量子比特已经已经证明了它们在远距离量子节点之间转移量子态或产生纠缠的能力。这是通过能够携带光子量子比特的光纤实现的，通常是在建筑物的不同部分之间或附近建筑物之间。结合包含量子位的模块的小尺寸，这对于具有潜在大量可单独寻址的量子位的分布式量子计算机是一个关键的先决条件。例如，我们的模块不超过几立方厘米，可以容纳多个独立的原子量子位。连同共享的激光系统和用于不间断运行的单原子储器，可以直接按比例扩大连接模块和量子位的数量。用小型腔技术代替我们的自由空间光学模块可能会进一步增加这个数目。
将现有技术网络扩展到分布式量子计算体系结构的强制性步骤是能够在任意网络模块之间执行非局部双量子门的能力。为了实现这一目标，有人提出了门的隐形传送。该技术构成了隐形传态的一般化，并允许使用先前共享的纠缠，局部运算和经典通信构造量子计算机。一般的工作原理首先在基于线性光学量子计算的光子系统中得到了证明，最近在孤立的装置中使用了材料量子位，例如，单个低温恒温器中的超导体以及单个Paul陷阱中的离子。
数据线和处理单元结合
马克斯·普朗克量子光学研究所及其同事的一项新研究中提出了克服量子计算机构造难题的一种方法。在西班牙光子科学研究所的支持下，他们使用一种简单的方法成功连接了60米距离内的两个量子比特模块，实现了完全独立的量子模块之间的非局部通用量子门，从而有效地形成了具有两个量子比特的基本量子计算机。
该研究方案依赖于单个光子作为飞行辅助量子位，研究人员从两个遥远的网络模块连续反射。每个模块由一个被捕获在光学腔中心的单个Rb原子组成，其精细度为60,000。两个网络模块通过一个60米长的光纤链路连接，每个都包含一个固定的量子比特。在这些模块之间，它们发送一个单一的光量子，即一个光子，该光子在光纤中传输。然后，该光子与不同模块中量子位的量子态纠缠在一起。光子反射在模块中的光子和量子位之间建立了两个被动的，原则上是确定性的局部门。结合对光子的最终测量和对固定量子位的反馈，从而实现了保真度为80％一个量子机械非局域量子控制非门（CNOT）。其优点在于，网络模块总是准备好进行门操作，同时也不需要时刻准备典型的脆弱纠缠态，因为可以由介导栅极的光子产生。整个协议以1 kHz的速率执行，门控本身需要22 ms，这是因为受到单量子位旋转所需时间的限制。尽管现在与最先进的量子计算机相比仍然很慢，但该门用作特殊的连接门，并且可能不需要以相同的高重复频率和速度运行。
通过分布式计算的高性能量子计算机
团队负责人兼研究所所长Gerhard Rempe认为，该项研究工作实现了量子逻辑门-量子计算机的基本构建块，这一结果将进一步推动这项技术的发展，为分布式量子计算开辟了一条新的发展道路。用新引进的方法建立一个由多个模块和少量量子比特组成的分布式量子计算机。这种方法可以绕过现有量子计算机的限制，将更多的量子比特集成到一个单一的装置中，因此可以实现更强大的系统。
