用于“单向”量子计算的二维集群状态

尽管通用量子计算机可能仍有很长的路要走，但近年来，在从超导电路到激光捕获离子或原子晶格的各种平台上，研究人员们的努力取得了一些令人印象深刻的成果。许多工作都集中在“量子电路”或“逻辑门”架构上，类似于经典机器的架构。但是，在保持低错误率的同时，将这样的系统扩展到超过几个量子位元(量子位)是一个重大的实验和实践挑战。
       近日，两个独立的研究小组发表了一篇论文，指出了一种非常不同的量子计算模型——在某种意义上，可扩展性在一开始就被纳入考虑中。这两个小组都使用量子“压缩光”和简单的光学组件的组合来创建被称为2D集群态光的大规模量子纠缠态。
       这些广泛的“缠结资源”可以成为替代量子电路模型的基础——所谓的基于测量或单向量子计算。支持者认为，这种替代方案可以避免电路模型的某些复杂性，为通用的、容错的量子计算机提供更直接、可扩展的途径。
扩展的挑战 
       在基于电路或逻辑门的量子计算方法中，量子位元阵列在量子门中进行一系列的幺正运算，最后的测量提供程序的输出。这是一个熟悉的模型，但它需要在程序进行的过程中依次准备、连接和维护大量高质量的单个量子位，并在足够长的时间内保持它们微妙的量子信息不变，以便机器能够做一些有用的事情。这使得将这些系统扩展到大量的量子位是一个具有挑战性的命题。研究人员还研究了其他量子计算模型，包括绝热和拓扑计算，它们在解决某些类型的问题上具有一定优势。
单向计算
       还有一种模型其基于测量或单向量子计算，以一种非常不同的方式处理可伸缩性。单向计算由Robert Raussendorf和Hans Briegel在近20年前首次提出，首先要准备一个巨大的、高度纠缠的“量子资源”状态，称为集群状态，在这个状态中，计算中的所有量子位元都预先互连。然后，在特定的顺序和量子基础上，进行一系列局部单位点测量，每次测量的结果都会被记录下来，并成为集群状态下一个量子测量基础的输入。在这种方法中，量子算法被编码到单个测量的模式中。程序的最终结果由单个量子测量的经典数据给出，初始集聚态在计算过程中被破坏。正如Raussendorf和Briegel在他们最初的论文中所写的那样：“因此，集群状态是单向的量子计算机，而测量数据则构成了程序。”
集群态的挑战 
       原则上，许多研究人员认为单向量子计算提供了一种比量子电路模型更具可扩展性的方法。这是因为单向方法依赖于简单的单站点测量。因此，它减少了在前端创建一个足够大的集群态来充当足够的计算资源的方法，而不是管理单个量子位之间不断增长的多个量子交互的问题。
       但创建如此庞大的集群态本身也面临着挑战。一个特别的例子是，对于通用量子计算，集群态纠缠的“拓扑结构”必须至少是二维的。在现有的平台上，例如离子阱和固态超导系统，对集群态的演示大多数都只是一维的。
基于光的二维集群态 
       参与新发表的研究的两个研究小组，一个位于丹麦，另一个涉及日本、澳大利亚和美国的科学家，他们展示了一种不同的方法来创建集群状态，使用高度纠缠的光晶格。 新的研究从光的压缩状态开始，利用各种光学元件将这些状态编织成一个包含数万个纠缠节点的二维卡斯特状态。图1展示了丹麦小组的做法。
       虽然这两项研究的一些细节有所不同，但都是从光的压缩态的产生开始的。在压缩状态下，一个量子参数或描述光场的“正交”(例如，振幅)的测量误差被稀释，而另一个不太相关的正交(例如，相位)的测量误差被放大。这种量子力学的处理方式已经开始在诸如传感器等应用的设计中得到应用，这些应用可以将误差降低到低于发射噪声的限度。
       在这两项新研究中，一旦最初的压缩态被创造出来，它们就会通过分束器、延迟线和其他光学元件组成的网络，被“编织”成一个高度纠缠的二维圆柱形光态。其结果是一个纯光学的二维集群态，由来自日本-澳大利亚-美国研究小组的24,960个纠缠光模态组成，另外有三万多个纠缠光模态在丹麦。
       此外，研究人员们相信他们的装置足够简单，可以扩展到更大的数量级。这家丹麦集团补充说，他们的系统在室温下工作，光纤工作波长为1550纳米。该团队认为，这与必须在低温下工作的超导平台相比具有明显的优势。
下一步：误码控制 
       随着这些巨大的纠缠光态的产生，这两个研究小组都相信他们已经为普遍的单向量子计算奠定了基础，作为一种更自然的可扩展的替代方式来取代主要的基于电路的模型。但是还有一个障碍需要克服，那就是容错。虽然压缩光的使用有助于限制一些潜在的错误，但两个团队都承认，大的集群状态仍然存在太多噪声，无法支持开箱即用的通用量子计算。
       这两个团队看到了解决这个问题的不同方法。日本-澳大利亚-美国研究小组认为，使用最先进的压缩光源来提高压缩水平，可以使组装达到容错计算的误差阈值。丹麦的研究小组看到了将一种错误校正编码应用于光学频率的希望，这种编码已经在微波体制(所谓的GKP状态编码)中得到了成功的证明。 无论哪种情况，这两项研究的作者都乐观地认为，他们的论证为光量子计算开辟了一条新途径。在与他的团队的工作一同发布的新闻稿中，丹麦项目的负责人Ulrik Andersen称，他们研究的集群态是“下一代更大、更强大的量子计算机的潜在候选”。
      日本-澳大利亚-美国研究人员包括了来自日本东京大学、新南威尔士大学和澳大利亚RMIT大学以及美国新墨西哥大学的研究人员们，丹麦的研究在丹麦技术大学进行。

图1：新的研究从光的压缩状态开始，利用各种光学元件将这些状态编织成一个包含数万个纠缠节点的二维卡斯特状态。这张示意图显示了丹麦小组的做法。

图2：日本-澳大利亚-美国研究小组使用的一些光学设备小组。