科學家欲用量子隱形傳態革新計算，你知道嗎?

強大的量子計算的長期前景怎麼強調都不爲過。它在治癒疾病、實現急需的材料突破以及解決諸如氣候變化這樣的重大問題方面的潛力並非技術浮誇——而是一種切實的可能性。這就是企業和政府每年投入數十億美元以釋放基於量子比特計算能力的原因。然而，在當前和那個遙遠的夢想之間仍然存在着重大障礙，可擴展性仍然是頭號難題。

簡而言之，量子比特對其環境極爲敏感，並且需要非常精確的控制。當你向一個系統中添加更多量子比特時，這些問題只會增加，最終，對量子計算準確性的干擾——也被稱爲“噪聲”——最終會導致級聯錯誤。這就是爲什麼當前的量子計算時代被廣泛稱爲“含噪中等規模量子（NISQ）時代”。這些量子處理器最多隻包含1000個量子比特，並且容錯能力不足，無法完全釋放量子計算的潛力。

當然，科學家有一些技術能讓量子計算機更不容易出錯，包括穩健的糾錯和容錯運算。最近，牛津大學的專家們在增加量子系統中的量子比特數量方面取得了一項重大突破（點擊查看詳情）。這個想法很簡單：如果較小的量子處理器能夠形成一個分佈式網絡，而不是在一個系統中塞入更多量子比特，會怎樣呢？理論上，這能讓科學家在保持低噪音的同時增加量子比特的數量。

在發表於《自然》雜誌的一篇新論文中，科學家們詳細介紹了他們如何通過使用光纖傳輸光子來連接僅包含少量離子阱量子比特的模塊。這些光子鏈路隨後使量子比特能通過光纖糾纏，從而能通過量子隱形傳態來執行量子邏輯運算。

“之前的量子隱形傳態演示主要聚焦於在物理上分離的系統之間轉移量子態，”牛津大學這項研究的主要作者杜格爾·梅因（Dougal Main）在一份新聞聲明中說道。“在我們的研究中，我們利用量子隱形傳態在這些遠距離系統之間創建相互作用。通過精心調整這些相互作用，我們可以在位於不同量子計算機中的量子比特之間執行邏輯量子門（量子計算的基本操作）。這一突破讓我們能夠有效地把不同的量子處理器‘連接起來’，組成一個單一的、完全連接的量子計算機。”

爲了測試這個新系統，該團隊執行了格羅弗搜索算法（Grover’s search algorithm）——這一算法由印裔美國計算機科學家洛夫·格羅弗（Lov Grover）於1996年首次提出。這種搜索利用並行的疊加態（superposition，指量子力學中的一種狀態，在這種狀態下，量子系統可以同時處於多個狀態的疊加）和糾纏態（entanglement，指量子之間存在的一種特殊的關聯現象）在大型非結構化數據集中查找特定項目。該搜索算法還呈現出二次方加速（quadratic speedup），這意味着量子計算機能夠以輸入量的平方根來解決問題，而不僅僅是線性增長。作者報告稱該系統實現了百分之七十一的成功率。

雖說成功運行分佈式系統是量子計算往前邁的一大步，但團隊再次強調，工程方面的挑戰還是很嚇人的。然而，利用量子隱形傳態將量子處理器聯網成一個分佈式的網絡，在量子計算開發這條又長又黑的隧道盡頭，透出了一絲微光。

“擴大量子計算機的規模仍然是一項艱鉅的技術挑戰，在未來幾年可能需要新的物理學見解以及高強度的工程努力，”牛津大學這項研究的首席研究員大衛·盧卡斯在一份新聞聲明中說道。“我們的實驗表明，利用當前的技術進行網絡分佈式量子信息處理是可行的。”