牛津大学，Nature正刊！首次演示分布式量子计算，突破可扩展性难题
牛津大学，Nature正刊！首次演示分布式量子计算，突破可扩展性难题
牛津大学研究团队在Nature期刊发表重要研究成果，首次通过光网络链路成功连接两个独立的量子处理器，实现了分布式量子计算。这一突破性进展解决了量子计算的可扩展性难题，为构建大规模量子计算机开辟了新路径。
牛津大学的一项最新研究表明，利用现有技术进行网络分布式量子信息处理是可行的。他们借助光子网络接口，成功将两个独立的量子处理器连接起来，组成了一台完全连接的量子计算机。研究方法使得小型量子设备可以通过光纤连接，创建出一种可扩展的架构，避免了将数百万个量子比特集成到单个机器中所面临的工程难题。
研究人员通过运行Grover搜索算法成功验证了该方法，展示了其解决复杂问题的潜力，这些问题远远超出了传统超级计算机的能力范围。
2月5日，来自牛津大学的研究人员在《Nature》期刊上发表题为“Distributed quantum computing across an optical network link”（通过光网络链路实现分布式量子计算）的研究论文，D. Main为论文第一作者兼论文通讯作者。
本文通过实验展示了在两个由光子互连的囚禁离子模块之间进行的量子计算分布。这两个模块相距约两米，每个模块都包含专用的网络量子比特和电路量子比特。利用网络量子比特之间的预报远程纠缠，研究团队在两个独立模块中的电路量子比特之间确定性地隐形传送了CZ门，保真度达到86%。随后，执行了Grover搜索算法（据悉，这是首次实现包含多个非局域双量子比特门的分布式量子算法），并测得成功率为71%。此外，还实现了分布式iSWAP和SWAP电路，它们分别由两次和三次QGT实例编译而成，展示了执行任意双量子比特操作分布的能力。
由于光子可以与多种系统对接，此处展示的通用DQC架构为一系列物理平台实现大规模量子计算提供了可行途径。
量子计算规模化遇阻，分布式架构能否破题？
量子计算在众多领域展现出巨大的应用潜力，然而，实现量子计算的大规模应用面临诸多挑战，关键的难题之一，是在增加量子比特数量的同时，维持对每个量子比特的精确控制和相互连接。
分布式量子计算（DQC）架构为解决这些挑战提供了新的思路。通过将多个量子处理模块连接成网络，它整合了多个联网的量子处理模块的计算能力，理想情况下，能够在不影响性能或量子比特连接性的前提下执行大型量子电路运算。
在这个架构中，每个模块包含相对较少的量子比特，通过经典和量子信息通道相互连接。这样，不仅降低了单个模块的复杂度，还将扩展规模的难题转化为构建更多模块和建立模块间接口的任务，为实现容错量子计算提供了一种可扩展的方法。
图1：分布式量子计算（DQC）架构示意图，该架构由光子互连的模块组成。
当前，分布式量子计算正处于快速发展但仍面临挑战的阶段。理论研究上，量子隐形传态和量子线路拆分的原理已明晰，多种算法和编译优化方法不断涌现。硬件实验方面，量子隐形传态实验成果丰富，逐渐向同空间和跨空间分布式量子计算迈进，不过在通信比特与数据比特交互等方面难题尚存；量子线路拆分技术发展迅速，在降低采样复杂度和增强并行计算能力上取得进展。应用算法上，虽专门算法不多，但已在量子化学等领域有所尝试。整体而言，分布式量子计算前景广阔，但在硬件、算法和系统整合等方面还需持续突破。
光子网络非常适合作为DQC通用且可重构的互连层。通过网络在物质量子比特之间共享的远程纠缠，可借助量子门隐形传态（QGT）实现全对全的逻辑连接。对于可扩展的DQC架构而言，QGT的实现必须具有确定性和可重复性。此前，虽然QGT等技术为分布式量子计算提供了可能，但截至目前，尚无演示能满足这些要求。
本研究在此背景下展开，通过利用纠缠在物理上分离的模块之间实现量子逻辑门，为模块化量子计算确立了一种可行的方法。这种分布式方法能够在保持量子相干性的同时实现容错计算，克服了单片式架构的关键局限性。光子互连技术有助于实现无缝扩展，并为未来集成到量子网络提供了可能，从而支持大规模、高性能的量子计算。
理论方法
（一）分布式量子计算架构
分布式量子计算架构通过网络连接多个量子处理模块，各模块含少量量子比特，经经典与量子信息通道互连。模块内有“网络”和“电路”量子比特，网络量子比特间的远程纠缠借助光子干涉产生，可通过量子门隐形传态（QGT）实现电路量子比特间的非局域纠缠门操作，使网络像单个完全连接的量子处理器一样工作。QGT仅需共享的二部纠缠（如贝尔态）、局域操作和经典通信，就能有效替代量子信息在量子通道中的直接传输，克服通道损耗，提升模块间距离，抑制通道噪声。
（二）量子门隐形传态（QGT）原理
QGT是实现分布式量子计算的核心技术。以介导分离模块中电路量子比特之间的CZ门为例，先在网络量子比特间生成远程纠缠贝尔态，电路量子比特存储量子信息直至远程纠缠成功建立。接着，将电路量子比特状态映射到辅助量子比特，在各模块中对网络和辅助量子比特执行局域CZ门操作，之后把辅助量子比特状态转回电路量子比特。再对网络量子比特进行测量，模块实时交换测量结果，并根据结果执行单量子比特前馈操作，完成CZ门的隐形传态，实现非局域门操作
。
（三）算法实现原理
以Grover算法为例，该算法用于在未排序数据集中搜索特定元素。在双量子比特情况下，经典搜索平均需两次查询函数，而量子电路借助QGT，仅需一次查询。先通过并行H门制备所有可能输入的叠加态，利用QGT实现预言机操作，标记目标状态
，再通过第二次QGT实现Grover扩散电路，将预言机提供的量子信息解码为可观测结果，理论上测量寄存器可得到搜索问题的解。
实验方案与过程
实验装置包含两个囚禁离子模块Alice和Bob，每个模块位于超高真空腔室中，内部有微加工表面保罗阱，分别共囚禁一个88Sr+离子和一个43Ca+离子。Sr+离子作为网络量子比特QN，为光量子网络提供高效接口；Ca+离子的基态超精细能级提供电路量子比特QC和辅助量子比特QX。通过一系列激光器实现离子的冷却、态制备和读取，高数值孔径（0.6 NA）透镜用于收集Sr+离子的单光子。
图2：两个囚禁离子模块之间CZ门的隐形传态。
量子过程层析用于重构过程矩阵，以完整描述量子过程。通过制备特定输入态，执行目标过程，在特定基下测量输出态，利用稀释最大似然估计，根据测量结果重构代表过程的矩阵。考虑到实际中的态制备和测量误差，对理想输入态和测量投影进行修正，引入相应误差参数建模。最后，通过平均门保真度量化实际过程与理想幺正过程的性能差异，
，其中为希尔伯特空间维度。
远程纠缠生成是QGT协议的关键。利用高数值孔径透镜和单模光纤收集各模块中与Sr+离子纠缠的422 - nm自发发射光子，传输至中央贝尔态分析仪。光子测量使离子投影到最大纠缠态，形成连接两个模块的光量子通道。通过674 - nm π脉冲将远程纠缠从基态塞曼量子比特映射到网络量子比特。成功生成纠缠由特定探测器点击模式预示，每次纠缠生成尝试需1168 ns，平均7084次尝试成功预报一次纠缠，生成率为9.7 s-1 。
电路量子比特对磁场波动敏感度低，相干时间约100 ms，为确保其在纠缠生成过程中保存量子信息，采用动态解耦技术。在纠缠生成成功预报前，持续对电路量子比特施加动态解耦脉冲，预报成功后立即执行QGT序列，之后完成剩余动态解耦脉冲，并利用特定公式修正通过CZ门传播产生的误差，有效抑制电路量子比特在纠缠生成过程中的退相位错误。
研究结果
通过量子过程层析对QGT协议进行表征，重构传送的CZ门过程矩阵，与理想CZ门相比，平均门保真度达到86.2(9)%。结果表明实验成功实现了高保真度的CZ门隐形传态，为分布式量子计算提供了关键基础。
图3：DQC结果。
实验成功演示了执行分布式iSWAP和SWAP门，通过量子过程层析表征，iSWAP门平均门保真度为70(2)%，SWAP门为64(2)%，展示了执行通用分布式量子计算的能力，意味着能够在分布式量子计算架构中实现复杂的量子门操作。
在分布式量子处理器上成功实现Grover算法，对于标记状态，平均成功率达到71(1)%。这是首次在分布式量子计算机上确定性地执行算法，验证了分布式量子计算架构在实际算法应用中的可行性和有效性。
研究意义与展望
这项突破解决了量子计算的可扩展性问题：一台强大到足以颠覆行业的量子计算机必须能够处理数百万个量子比特。然而，若要将所有这些处理器集成到单个设备中，就需要一台体积极其庞大的机器。在这种全新的方法中，小型量子设备相互连接，使计算任务能够在整个网络中分布进行。从理论上讲，网络中的处理器数量没有上限。
尽管此前已经实现了量子态的隐形传态，但这项研究首次展示了通过网络链路实现逻辑门的量子隐形传态。研究人员表示，这可能为未来的“量子互联网”奠定基础，在量子互联网中，远程处理器可以形成一个用于通信、计算和传感的超安全网络。
“此前对量子隐形传态的展示主要集中在物理上分离的系统之间转移量子态。在我们的研究中，我们利用量子隐形传态在这些远程系统之间创建相互作用，”研究负责人 Dougal Main 表示：“通过精心调整这些相互作用，我们可以在不同量子计算机中的量子比特之间执行逻辑量子门——这是量子计算的基本操作。这一突破使我们能够有效地将不同的量子处理器‘连接’成一台完全互联的单一量子计算机。”
此概念与传统超级计算机的工作方式类似。传统超级计算机由多个小型计算机连接而成，以实现超越每个独立单元的计算能力。这种策略规避了将越来越多的量子比特集成到单个设备中所面临的诸多工程难题，同时保留了精确而可靠计算所需的微妙量子特性。
Dougal Main补充道：“通过使用光子链路将各个模块相互连接，系统获得了宝贵的灵活性，允许在不破坏整个架构的情况下对模块进行升级或更换。”Grover算法的成功演示凸显了分布式方法如何能够突破单个设备的限制，拓展量子计算能力，为可扩展、高性能的量子计算机奠定基础。
研究团队首席研究员、英国量子计算与模拟中心首席科学家David Lucas教授表示：“我们的实验证明，利用现有技术进行网络分布式量子信息处理是可行的。扩大量子计算机的规模仍然是一项艰巨的技术挑战，未来几年可能需要新的物理学见解以及大量的工程努力。”
参考链接
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x
[2]https://www.physics.ox.ac.uk/news/paving-way-quantum-supercomputers
[3]https://researching.cn/ArticlePdf/m00033/2024/41/1/1.pdf
本文原文来自牛津大学官网