量子系统学习联合计算

先前量子位架构的局限性

量子计算机与传统的“二进制”计算机有很大不同：它们的未来实现有望轻松执行传统计算机需要数月甚至数年才能完成的特定计算——例如在数据加密和解密领域。虽然二进制计算机的性能来自大内存和快速计算周期，但量子计算机的成功取决于这样一个事实：一个单一的存储单元——一个量子位，也称为“量子位”——可以包含不同可能值的叠加同时。因此，量子计算机不仅一次计算一个结果，而是并行计算许多可能的结果。量子计算机中互连的量子比特越多;它可以执行的计算越复杂。

量子计算机的基本计算操作是两个量子位之间的量子逻辑门。这种操作会改变——取决于量子位的初始状态——它们的量子力学状态。为了让量子计算机在各种计算方面优于普通计算机，它必须可靠地互连数十个甚至数千个量子位，以进行同样数千个量子运算。尽管取得了巨大的成功，但目前所有的实验室仍在努力建造如此庞大而可靠的量子计算机，因为每增加一个量子位，就很难在一次设置中建造一台量子计算机。例如，量子位是用单个原子、超导元素或光粒子实现的，所有这些都需要与彼此和环境完美隔离。

数据线与处理单元相结合

Severin Daiss、Stefan Langenfeld 和来自 Garching 马克斯普朗克量子光学研究所 Gerhard Rempe 研究小组的同事在《科学》杂志上发表的一项新研究中提出了一种克服构建量子计算机技术困难的方法。在光子科学研究所(西班牙卡斯特尔德费尔斯)支持的这项工作中，该团队成功地将两个量子位模块连接到 60 米的距离，从而有效地形成了具有两个量子位的基本量子计算机。“跨越这个距离，我们在不同实验室的两个独立量子位设置之间执行量子计算操作，”戴斯强调说。这使得将较小的量子计算机合并到一个联合处理单元成为可能。

过去已经实现了简单地耦合远处的量子位以在它们之间产生纠缠，但现在，这种连接还可以用于量子计算。为此，研究人员采用了由单个原子组成的模块作为位于两个镜子中间的量子位。在这些模块之间，它们发送在光纤中传输的单个光量子，即光子。然后，该光子与不同模块中量子位的量子态纠缠在一起。随后，其中一个量子位的状态根据“辅助光子”的测量状态发生变化，实现了保真度为 80% 的量子力学 CNOT 操作。下一步是连接两个以上的模块，并在各个模块中承载更多的量子位。

通过分布式计算实现更高性能的量子计算机

团队负责人兼研究所所长 Gerhard Rempe 认为，这一结果将有助于进一步推进该技术：“我们的方案为分布式量子计算开辟了一条新的发展道路。” 例如，它可以构建由许多模块组成的分布式量子计算机，这些模块与新引入的方法互连的量子位很少。这种方法可以绕过现有量子计算机将更多量子位集成到单个设置中的限制，因此可以实现更强大的系统。