NIST物理学家传送分离离子之间的逻辑运算

标准与技术研究院(NIST)的物理学家传送了一种计算机电路指令，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。

量子隐形传输将数据从一个量子系统(例如离子)传输到另一个(例如第二离子)，即使两者完全相互隔离，就像在不同建筑物的地下室中的两本书一样。在这种现实生活中的远程传送形式中，只有量子信息，而不是物质信息被传输，而不是“ 星际迷航”版本的“照亮”整个人类，例如从太空船到行星。

先前已经用离子和各种其他量子系统证明了量子数据的传送。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工作，离子是未来量子计算机架构的主要候选者。这些实验在5月31日的“ 科学”杂志中有所描述。

“我们验证了我们的逻辑运算适用于两个量子位的所有输入状态，概率为85%到87% - 远非完美，但它是一个开始，”NIST物理学家Dietrich Leibfried说。

如果可以构建一个全尺寸量子计算机，可以解决目前难以处理的某些问题。NIST为全球研究工作做出了贡献，将量子行为用于实用技术，包括构建量子计算机的努力。

为了使量子计算机按预期运行，它们可能需要数百万个量子比特或“量子比特”，以及在大规模机器和网络之间分布的量子比特之间进行操作的方法。传送逻辑运算是没有直接量子力学连接的一种方式(仍然需要用于交换经典信息的物理连接)。

标准与技术研究院的团队在一个离子阱的不同区域内，在距离超过340微米(百万分之一米)的两个铍离子量子位之间传送一个量子控制非(CNOT)逻辑操作或逻辑门，这个距离可以排除任何距离实质性的直接互动 只有当第一个量子位为1时，CNOT操作才会将第二个量子位从0翻转为1，反之亦然。如果第一个量子位为0，则没有任何反应。在典型的量子方式中，两个量子位都可以处于“叠加”状态，其中它们同时具有1和0的值。

NIST隐形传输过程依赖于纠缠，即使它们被分离，也会将粒子的量子特性联系起来。“信使”对缠结的镁离子用于在铍离子之间传递信息。

NIST团队发现其传送的CNOT过程纠缠了两个镁离子 - 一个关键的早期步骤 - 成功率为95%，而完整的逻辑运算成功率为85%到87%。

“门传送允许我们在空间上分离的两个离子之间执行量子逻辑门，之前可能从未相互作用过，”Leibfried说。“诀窍在于，他们每个人都有一个另一个缠绕在一起的离子，这个纠缠资源分布在门前，让我们可以做一个没有经典对手的量子技巧。”

“纠缠的信使对可以在计算机的专用部分生产，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，”Leibfried补充说。

NIST的工作也首次集成到一个实验中，这是第一次对基于离子构建大型量子计算机所必需的几项操作，包括控制不同类型的离子，离子传输和对选定子集的纠缠操作。系统。

为了验证他们是否执行了CNOT门，研究人员在16种不同的输入状态组合中准备了第一个量子位，然后测量了第二个量子位上的输出。这产生了一个广义的量子“真值表”，显示了该过程的有效性。

除了生成真值表之外，研究人员还检查了数据在延长运行时间内的一致性，以帮助识别实验设置中的误差源。该技术有望成为未来实验中表征量子信息过程的重要工具。