物理学家在分离离子之间的“传送”逻辑操作

物理学家在分离离子之间的“传送”逻辑操作

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家们传送了一条计算机电路指令，该指令被称为两个分离的离子(带电原子)之间的量子逻辑运算，展示了量子计算机程序如何在未来的大规模量子网络中执行任务。

量子隐形传态将数据从一个量子系统(比如一个离子)传输到另一个量子系统(比如第二个离子)，即使这两个量子系统彼此完全隔离，就像两本书在独立建筑的地下室里一样。在这种现实生活中的隐形传态中，只有量子信息而不是物质被传输，而不是像《星际迷航》(Star Trek)中那样，把整个人类从一艘宇宙飞船“传送”到一颗行星。

量子数据的隐形传输以前已经被证明与离子和其他各种量子系统。但是这项新工作是第一个使用离子传送完整量子逻辑运算的，离子是未来量子计算机架构的主要候选。这些实验发表在5月31日出版的《科学》杂志上。

NIST的物理学家Dietrich Leibfried说:“我们验证了我们的逻辑运算在两个量子比特的所有输入状态下都能工作，其概率在85%到87%之间——虽然还远远不够完美，但这只是一个开始。”如果能造出一台全尺寸量子计算机，就能解决目前难以解决的某些问题。NIST为利用量子行为开发实用技术的全球研究工作做出了贡献，包括建造量子计算机。

要让量子计算机像预期的那样运行，它们可能需要数以百万计的量子比特，或者“量子位”，以及在分布在大规模机器和网络上的量子位之间进行操作的方法。逻辑运算的隐形传态是一种没有直接量子力学连接的方法(仍然需要用于交换经典信息的物理连接)。

NIST团队在位于离子阱不同区域的两个铍离子量子位元之间传送了一个量子控制非(CNOT)逻辑操作，或逻辑门，距离超过340微米(百万分之一米)，这个距离排除了任何实质性的直接相互作用。CNOT操作将第二个量子位从0翻转到1，反之亦然，只有当第一个量子位为1时;如果第一个量子位是0，什么也不会发生。在典型的量子方式中，两个量子位元都可以处于“叠加”状态，即它们同时具有1和0的值。

NIST的隐形传态过程依赖于纠缠，它将粒子的量子特性联系在一起，即使它们是分离的。一个“信使”对纠缠的镁离子是用来传输信息之间的铍离子(见信息图)。NIST团队发现，它的远程传输CNOT过程使两个镁离子纠缠在一起——这是一个关键的早期步骤——成功率为95%，而整个逻辑操作的成功率为85%到87%。莱布弗里德说:“栅极隐形传态允许我们在空间上分离的两个离子之间执行量子逻辑门，这两个离子以前可能从未相互作用过。”“关键是它们每一个身边都有另一对纠缠对的一个离子，而这种分布在栅极前方的纠缠源，让我们可以做一个没有经典对应物的量子把戏。”“纠缠的信使对可以在计算机的一个专用部件中产生，并单独运送到需要与逻辑门连接但位于偏远位置的量子位元，”莱布弗里德补充说。

NIST的工作还首次集成到一个单一的实验中，包括控制不同类型的离子、离子输运和对系统选定子集的纠缠操作，这些操作对于构建基于离子的大规模量子计算机是必不可少的。为了验证他们执行了CNOT门，研究人员用16种不同的输入状态组合准备了第一个量子位元，然后测量了第二个量子位元的输出。这产生了一个广义的量子“真值表”，显示了这个过程的工作。除了生成真值表外，研究人员还检查了扩展运行时数据的一致性，以帮助确定实验设置中的错误源。这一技术有望成为今后实验表征量子信息过程的重要工具。