突破光子技术改变量子计算

诸平

A recent quantum computing breakthrough has enhanced the scalability and efficiency of quantum computations, moving closer to practical quantum computing advancements. Credit: SciTechDaily.com

据以色列耶路撒冷希伯来大学（The Hebrew University of Jerusalem）2024年10月11日提供的消息，突破光子技术改变量子计算（Quantum Computing Transformed by Breakthrough Photonic Technology）。研究人员在量子计算方面取得了重大进展，重点是基于光子测量的量子计算（photonic-measurement-based quantum computation）。他们的研究引入了一种可扩展且资源高效的方法，该方法使用高维空间编码来生成大型集群状态。这一突破可能会加速更快、容错量子计算机（fault-tolerant quantum computers）的发展。

克服量子计算挑战（Overcoming Quantum Computing Challenges）

耶路撒冷希伯来大学拉卡物理研究所（Racah Institute of Physics, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel）的亚龙·布龙贝格（Yaron Bromberg）教授和Ohad Lib博士在《自然光子学》（Nature Photonics）上发表的一项新研究，通过他们对基于光子测量的量子计算的研究，在推进量子计算方面取得了重大进展。原文详见：Ohad Lib, Yaron Bromberg. Resource-efficient photonic quantum computation with high-dimensional cluster states. Nature Photonics, 2024. DOI: 10.1038/s41566-024-01524-w. Published: 16 September 2024. https://www.nature.com/articles/s41566-024-01524-w. 这种方法有可能克服量子计算中的一些重大挑战，通过利用高维空间编码来生成大型集群状态，提供可扩展和资源高效的解决方案。

量子计算机（Quantum computers）目前在产生对计算至关重要的大集群状态方面遇到了一个主要瓶颈。传统方法的结果是，随着光子数量的增加，探测概率呈指数下降。亚龙·布龙贝格教授和Ohad Lib博士的研究通过使用空间编码在每个光子中编码多个量子位来解决这个问题。这种开创性的方法已经成功地以100赫兹（100 Hz）的频率产生了包含超过9个量子比特的簇态（cluster states），标志着该领域的一项显著成就。

提高量子计算效率（Enhancing Quantum Computation Efficiency）

此外，研究人员还证明，这种方法通过在同一光子内编码的量子比特之间实现瞬时前馈（instantaneous feedforward），大大减少了计算时间。这一突破为资源效率更高的量子计算打开了大门，有可能导致更快、容错的量子计算机能够处理复杂问题。

亚龙·布龙贝格教授表示：“我们的研究结果表明，使用高维编码不仅克服了以前的可扩展性障碍，而且为量子计算提供了一种实用而高效的方法。这是一个重大的飞跃。”

量子技术的未来含义（Future Implications for Quantum Technology）

Ohad Lib博士补充说:“通过解决可扩展性和计算时间问题，我们为基于测量的量子计算铺平了新的道路。量子技术的未来离我们更近了一步。”

这项研究标志着通过光子学实现量子计算全部潜力的持续追求的重要里程碑。

该项目得到了祖克曼STEM领导力项目（Zuckerman STEM Leadership Program）和以色列科学基金会{Israel Science Foundation (grant no. 2497/21)}、以色列克罗雷基金会克罗雷学者计划（Clore Scholars Programme of the Clore Israel Foundation）以及德国汉诺威下萨克森州（State of Lower Saxony, Hannover, Germany）的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Quantum computers can revolutionize science and technology, but their realization remains challenging across all platforms. A promising route to scalability is photonic-measurement-based quantum computation, where single-qubit measurements on large cluster states, together with feedforward steps, enable fault-tolerant quantum computation; however, generating large cluster states at high rates is notoriously difficult as detection probabilities drop exponentially with the number of photons comprising the state. We tackle this challenge by encoding multiple qubits on each photon through high-dimensional spatial encoding, generating cluster states with over nine qubits at a rate of 100 Hz. We also demonstrate that high-dimensional encoding substantially reduces the computation duration by enabling instantaneous feedforward between qubits encoded in the same photon. Our findings pave the way for resource-efficient measurement-based quantum computation using high-dimensional entanglement.