量子院团队在飞行量子比特控制领域取得重要进展

量子院团队在飞行量子比特控制领域取得重要进展

量子计算是当前科技领域的热门话题，而飞行量子比特作为量子网络中节点间信息传输的重要载体，其控制技术的研究对于实现大规模量子计算和量子通信具有重要意义。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）量子计算云平台李铁夫、刘玉龙团队和清华大学吴热冰团队在《Science Partner Journal: Advanced Devices & Instrumentation》发表综述论文，从理论和实验两个方面总结了飞行量子比特控制领域的最新研究进展。

飞行量子比特（Flying Qubit）是量子网络中节点与节点之间线路里量子信息传输的重要载体。普适量子网络的构筑所需关键技术往往包括（但不限于）分布式多比特位计算节点、量子计算节点间的相干互联以及量子通信网络的建设等。量子信息的传递过程，通常以光子（Photon）或声子（Phonon）等量子化的行波场为载体（如图1），将节点处静止量子比特（Standing Qubit）的量子信息，从一个节点传递到其它节点。此外，高保真信息传输，仍然需要精确控制被编码的飞行量子比特的产生、接收和转换过程。

图1 各式行波（驻波）飞行量子比特的物理载体，包括光频段、射频微波段的光子以及振动量子化的声子

以当下固态量子计算处理器的实现方式之一的超导量子计算技术路线为例，受到制冷功率、测控布线等诸多技术限制，单个量子计算单元内部可高保真度操控的量子比特数目在几百个比特数量子。基于当下量子比特门的保真度，朝着实用化量子计算方向发展，突破盈亏点后实现具备纠错能力的逻辑计算芯片所需物理比特的数量甚至达到几十万量级。可扩展、分布式量子计算的架构成为当下研究的热点。在原理验证阶段，苏黎世联邦理工学院率先展示了两台低温稀释制冷机器的协同合作（如图2），内部芯片互联距离超过5米，最近该课题组又将传输距离提升到几十米量级。普适量子网络具备多节点间量子信息互联的能力，这里信息的传递可以基于微波或者光频段的飞行光子（如图2C）。

图2 固态量子比特芯片以及节点间互联的实现形式

飞行量子比特控制系统可以看作是耦合了多个量子通道耦合的开放量子系统，其输入有经典输入和量子输入，其输出仅考虑量子输出，同时系统受到环境噪声的影响。根据量子输入场和量子输出场的特点（如图3），飞行量子比特控制问题可分为3类：产生、接收和转换。从理论角度，研究团队分析并比较了飞行量子比特控制的不同建模方法，包括主方程方法、量子轨迹方法、散射矩阵方法、量子随机微分方程方法、量子朗之万方程方法和非线性光学方法等；从设计方案出发，对各种控制目的和策略进行了深入的探讨；最后从实验角度出发，讨论了飞行量子比特控制可能的应用。飞行量子比特精确控制的实现在量子相干互连、构建具有多比特量子芯片、量子计算机互联和量子通信网络等应用场景中起着至关重要的作用。

图3 飞行量子比特控制的三种典型类型，分别包括产生（A）、接收（B）以及转换（C）

研究团队总结了关于飞行量子比特控制理论、实验的研究基础和进展，不仅对于实现上述讨论的三类量子网络系统的应用场景具有重要意义，其研究结论对其它类型的量子系统的研究也具有潜在的参考价值，如量子中继器、量子测量、量子传感器和量子反馈系统等。

目前，关于简单的量子系统和控制目的，飞行量子比特控制的理论研究已经取得了一定的研究进展，但对于复杂的量子系统和控制目的，则需要进一步深入研究，不断系统地拓展飞行量子比特控制理论的研究对象和控制目的。同时，环境噪声的影响也需要考虑，如温度变化和其它器件的耦合干扰。与此同时，与静止量子比特控制实验相比，飞行量子比特控制实验的研究相对滞后，这方面需要加快研究步伐。

本文原文来自北京量子信息科学研究院