放弃量子混沌实现高保真量子态转移
中国和美国组成的国际科学家团队开发出了一种可扩展的 36 量子位超导量子电路高保真量子态转移 (QST) 协议。研究人员专注于优化量子比特耦合以克服二维量子网络中的量子混沌。
随着量子计算系统的发展和对固态架构的更多使用，对高保真度、短距离量子通信的需求也随之增长。超导量子比特尤其受到青睐，因为它们在构建二维量子网络方面具有更高的可扩展性和实用性。
二维网络中量子传输的传统方法面临着误差累积的挑战。因此，研究人员提出了一种专注于优化量子比特耦合的替代方法。
Phys.org 采访了《自然通讯》研究背后的一些研究人员，以进一步了解他们的工作。
论文共同作者、浙江大学的郭秋江教授和博士后研究员梁翔博士解释了他们研究的动机：“从技术上讲，固态量子系统不同部分之间的短距离通信对于扩大量子处理器的规模和有效实现量子算法都有着重要的意义。
“另一方面，可编程超导处理器是作为量子信息传输媒介的自然选择。然而，量子态转移的实验演示主要局限于具有少量量子比特的小链，”他们说。
了解 QST
加州大学戴维斯分校的理查德·T·斯卡莱塔 (Richard T. Scalettar) 教授是这项研究的共同作者，他说：“在构建一台成熟的量子计算机的过程中，我们的目标是重现经典计算机的功能，即处理、存储和通信。”
“我们的研究重点是后者，解决如何在量子设备的两端之间有效地传输量子态的问题，”休斯顿大学的 Rubem Mondaini 教授补充道，他也是这项研究的合著者。
量子传输是将量子系统的状态从一个量子比特转移到另一个量子比特的过程。它是所有量子信息和通信系统的基础。
当提到 QST 的保真度时，它指的是信息传输的准确性，没有错误或退相干。主要挑战之一是尽量减少因环境相互作用而导致的错误。
先前的研究已经证明了 QST 适用于理想的单粒子系统。
蒙达伊尼教授解释说：“这种原始方法未能解释这样一个事实，即实际的量子装置远非完美，而且没有缺陷或不必要的耦合的理想情况与现实生活中的量子装置中可能看到的情况不同。”
量子比特耦合与量子混沌
对于量子通信，关键元素之一是量子比特耦合。这是量子比特之间的相互作用，其中一个量子比特的状态会影响另一个量子比特的状态。对于超导量子比特，它通常由电磁场介导。这种相互作用的程度通过耦合强度来衡量，而耦合强度通常可以进行调整或控制。
虽然系统中的量子位之间需要量子位耦合来传输信息，但它也带来了混沌等挑战。
量子混沌是指由于系统内部复杂的相互作用，量子系统的行为不可预测的状态。这种不可预测性对系统的初始状态高度敏感，初始条件的微小变化会导致行为发生重大变化。
在量子比特之间耦合强度较高的系统中，混沌现象会加剧，通过破坏相干性导致 QST 出现错误。正如 Mondaini 教授所提到的，缺陷（如不规则或不完美）也会加剧混沌行为。
因此，管理量子系统中的混沌对于量子通信至关重要。
“我们的方法适用于非理想量子网络，也就是说，即使量子比特之间的耦合不能设置为完美状态转移所需的预定值，”Scalettar 教授说。
蒙特卡罗退火
该团队采用混合方法解决了这个问题，其中经典计算机执行优化任务，超导量子电路使用优化来执行 QST。
为了进行优化，研究人员使用了一种称为蒙特卡洛 (MC) 退火的方法。退火是冶金学中使用的一种工艺，其中将材料加热到非常高的温度，然后缓慢冷却以改变材料的特性。
在这种情况下，研究人员希望最大化保真度（或有效 QST）并优化耦合强度参数。简而言之，他们希望找到能够获得有效 QST 的耦合强度的最优值。
探索所有可能的配置来优化耦合强度是不切实际的。MC 方法随机采样并优化超导量子电路中的耦合。
这种随机或概率方法可以有效地控制参数值，从而最大程度地提高 QST 的保真度。这个过程是迭代的，耦合强度会根据概率采样和经典计算能力进行调整。
实现 36 量子比特超导量子电路
研究人员利用他们的优化技术采用了二维 6x6 超导量子比特网络，即包含 36 个量子比特的网络。
他们针对该网络测试了三种类型的量子态，并进行了传输。
第一个是单激发转移，这意味着系统中只有一个量子比特被激发。目的是观察这种激发如何在量子系统内的多个量子比特之间转移。
对于单激发转移，保真度为 0.902。保真度 0.902 意味着实际转移状态与期望状态非常接近，准确率为 90.2%。
对于双激发传输（两个激发的量子位），保真率为0.737，也就是说信息传输的准确率为73.7%。
研究人员还测试了他们的网络传输贝尔态的能力。贝尔态是两个最大程度纠缠的量子比特的状态。当量子比特处于贝尔态时，它们的量子特性是相互关联的，因此，如果你测量一个量子比特的状态，你就能立即知道另一个量子比特的状态，无论它们相距多远。
对于这种情况，发现两个量子比特对之间的保真度为 0.84 。演示贝尔态的 QST 至关重要，因为它可以验证基础量子原理。
郭教授说：“我们不仅在技术上展示了蒙特卡罗退火过程以提高传输保真度，而且还从量子混沌行为和大自旋表示的角度揭示了底层的物理图像。”
“我们的发现远远超出了以前实验的范围，不仅建立了在不完美的二维网络中实现少粒子量子ST的实用方法，而且揭示了从角动量理论和量子遍历性对量子ST的底层物理理解，”项博士补充道。
展望未来
该团队的优化方法使得量子网络中量子位之间的耦合避免了量子混沌的表现，这已得到实验结果的证实。
谈到他们的协议的潜在直接应用，Mondaini 教授和 Scalettar 教授表示：“通过连接一组较小的量子处理器，未来量子设备的制造可能会变得容易。在每个处理器中传输状态，然后将状态传递给下一个处理器，将形成一个分布式量子处理器，这可以使用我们开创的方法。”
本质上，这突出了他们的系统对于大型互联系统的可扩展性和实用性。
郭教授和项博士补充说，他们的系统还可以为设计量子通道和路由器作为连接处理器节点的构建模块提供一种建设性技术。
他们表示：“基于高保真量子态转移，可以在量子处理器上实现高效的远程量子门，从而加快量子算法的速度。”
因此，他们的协议为开发量子通信和信息网络的基础组件开辟了可能性。
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