科研进展 | 云量子计算的通用终端

为了将量子计算能力带到个人边缘设备，最佳方式为使用简单的非纠错个人设备，这类设备可以通过具有低温组件和容错方案的边缘服务器将计算任务卸载到可扩展量子计算机。因此，需要在网元（network element）部署不同的编码协议。

7月4日，伊朗德黑兰大学物理系的研究人员在《Scientific Reports》期刊发表题为“Universal terminal for cloud quantum computing”（云量子计算的通用终端）的研究论文，德黑兰大学助理教授Mohammadasadegh Khazali为论文第一兼通讯作者。

Mohammadasadegh Khazali，德黑兰大学物理系助理教授，研究领域为量子光学、量子信息。

在本文中，作者提出了与不同编码协议兼容的量子终端，为实现移动边缘量子计算铺平了道路。将原子晶格处理器容纳在腔内，并通过里德堡腔量子电动力学（Rydberg cavity-QED）技术产生纠缠。负责光子发射的辅助原子通过长距里德堡相互作用感知逻辑量子比特态。换句话说，逻辑量子比特的状态决定了中心原子处由相互作用诱导的能级嬗移，进而从不可分辨的本征态得到了系统，其特征是在量子干涉控制的早期或晚期发射光子。在两个发射光子上应用纠缠交换门将使相距遥远的逻辑量子比特纠缠在一起，无论它们的编码协议如何。所提出的方案提供了一个通用的光子接口，用于将处理器集群，以及将其与兼容不同编码格式的量子内存和量子云连接。

本文介绍了一种新颖的里德堡-费米能级方案（Rydberg–Fermi level scheme），旨在将单个光子量子比特与跨4个原子编码的逻辑量子比特纠缠在一起。此外，还探索了对替代编码协议（例如6量子比特和13量子比特）的扩展。通过对两个飞行量子比特采用投影贝尔态测量（projective Bell-state measurement，PBM），固定单元中的逻辑量子比特无论采用何种编码方案都会纠缠在一起。这种通用光子接口对于集群容错处理器、将它们与量子存储器连接以及将它们集成到量子云基础设施中具有重要价值。

逻辑量子比特相当于多个物理量子比特组成的更大的希尔伯特空间内高度纠缠的二维子空间。为了规避与逻辑运算相关的昂贵技术，利用系统特定属性可以大幅减少对物理量子比特执行的运算数量，从而最大限度地减少执行过程中的错误。激光激发的里德堡原子有望成为实现表面码的平台，它们的长距相互作用使得能够同时对多个量子比特进行操作，并在量子光学中提供额外的机会。

考虑到嵌在腔内的原子晶格处理器，本文提出了一种通用终端，利用不同的编码方案连接相距很远的单元。所提出的方案采用腔QED技术先后从辅助中心原子发射光子，前提是逻辑量子比特必须在周围匾格（plaquette）原子内编码。另外，得益于里德堡偶极子或者说里德堡-费米相互作用，逻辑量子比特的不同状态会在中心原子的里德堡态上诱导出由不同相互作用诱导的能级嬗移（level shift）。所以，逻辑量子比特决定了中心原子遵循哪个本征态，涉及或排除原子-腔耦合。因此，逻辑量子比特与中心原子发射的时段（time-bin）光子量子比特纠缠在一起，产生纠缠态。

随后在时段基础上对两个光子进行PBM，无论其编码方案如何，都会使静止的量子比特纠缠在一起。时段量子比特因其固有的抗相位涨落的稳健性而成为理想的选择，并且最近在实现高保真操作方面取得了进展。

通过利用系统特定属性，当前方案可在单个步骤中对所有物理量子比特进行操作，从而避开了逻辑运算通常所需的昂贵技术。在偶极方案中，物理原子和中心原子都通过同时脉冲激发到里德堡能级。相比之下，替代的里德堡-费米方法涉及专门施加到中心原子的单脉冲，通过中心原子的里德堡电子与自旋相关晶格中的匾格原子的费米散射进行操作。数据分析表明，在最佳参数设置下，纠缠态生成的保真度达到了99.97%。然而，由于里德堡态的偶极耦合引起的布居泄漏（population leakage），这一保真度稍微降低至99.72%。

此外，电磁诱导透明（electromagnetically induced transparency，EIT）类型的哈密顿量描述了如何通过两束相干激光形成暗态，从而避免系统中的非相干跃迁和光子损耗。通过求解主方程，研究了在不同激光参数下里德堡态的形成过程。

通过数值模拟，作者展示了在不同的距离和相互作用强度下，里德堡原子的能级变化情况。结果表明，通过合理选择实验参数，可以有效减少费米散射带来的能级嬗移，从而提高纠缠态生成的保真度。这一理论为后续实验提供了重要的指导，使得在复杂的量子系统中实现高精度操作成为可能。

实验结果验证了理论模型的正确性，并展示了在实际条件下实现高保真度量子操作的可能性。作者还指出，这一研究不仅为量子网络的构建提供了新的技术手段，也为量子信息科学的进一步发展开辟了新的研究方向。通过进一步优化和验证，这一技术有望在构建大规模量子网络和实现高效量子计算方面发挥重要作用。

图1：具有不同编码格式的长距纠缠逻辑量子比特的通用终端。

图2：纠缠方案的运行状况。

图3：在|1L>的情况下，共振偶极相互作用Vcp与|rc>的激光激发结合并形成了等式(9)所描述的暗态。.

图4：逻辑量子比特的里德堡-费米传感示意图。

图5：里德堡-费米能级方案。

图6：双物种自旋依赖晶格。

参考链接

https://www.nature.com/articles/s41598-024-65899-0

https://physics.ut.ac.ir/en/%D8%A7%D8%B9%D8%B6%D8%A7%DB%8C-%D9%81%D8%B9%D8%A7%D9%84