光基量子處理器實現突破量子計算技術躍升新階段

一個科學家小組創建了一種可重新編程的光基量子處理器，減少了光損耗，推動了量子計算和安全通信的進步。科學家們創造出了一種可重新編程的光基處理器，這在世界上尚屬首次，他們認為這種處理器將開創量子計算和通信的新時代。

這些新興領域中在原子水平上運行的技術已經為藥物發現和其他小規模應用帶來了巨大的好處。未來，大規模量子計算機有望解決當今計算機無法解決的復雜問題。

首席研究員、澳大利亞皇家墨爾本理工大學的阿爾貝托-佩魯佐（Alberto Peruzzo）教授說，該團隊的處理器是一種光子學設備，利用光粒子攜帶信息，通過最大限度地減少"光損失"，有助于成功實現量子計算。

提高量子效率

佩魯佐是皇家墨爾本理工大學量子計算與通信技術卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology，CQC2T）節點的負責人，他介紹說："如果失去光線，就必須重新開始計算，其他潛在的進步包括提高了"不可破解"通信系統的數據傳輸能力，以及加強了環境監測和醫療保健領域的傳感應用。"

研發成果

研究小組在一系列實驗中對光子處理器進行了重新編程，通過施加不同的電壓實現了相當于 2500 個設備的性能。他們的研究結果和分析發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。這項創新可以為量子光子處理器帶來更緊湊、更可擴展的平臺。

論文第一作者、皇家墨爾本理工大學博士生楊洋說，這種設備"完全可控"，能在降低功耗的情況下快速重新編程，而且無需制作許多定制設備："我們通過實驗在單個設備上展示了不同的物理動態。這就像有了一個開關，可以控制粒子的行為方式，這對理解量子世界和創造新的量子技術都很有用"。

合作創新

意大利特倫托大學的 Mirko Lobino 教授利用一種名為鈮酸鋰的晶體制造了這種創新的光子裝置，而美國印第安納大學普渡大學印第安納波利斯分校的 Yogesh Joglekar 教授則帶來了他在凝聚態物理學方面的專業知識。

鈮酸鋰具有獨特的光學和電光特性，是光學和光子學各種應用的理想材料。

Lobino說："我所在的小組參與了該設備的制造工作，這尤其具有挑戰性，因為我們必須在波導頂部微型化大量電極，以實現這種程度的可重構性。"

Joglekar說："可編程光子處理器為探索這些設備中的一系列現象提供了一條新的途徑，而這些現象將有可能開啟技術和科學領域令人難以置信的進步。"

推進量子控制

與此同時，佩魯佐的團隊還開發出了一種世界首創的混合系統，它將機器學習與建模相結合，對光子處理器進行編程，幫助控制量子設備。量子計算機的控制對于確保數據處理的準確性和效率至關重要。該設備輸出精度面臨的最大挑戰之一是噪聲，它描述了量子環境中影響量子比特性能的干擾。微微子是量子計算的基本單位。

佩魯佐說："有一系列行業正在開發全面的量子計算，但它們仍在與噪聲造成的誤差和低效作斗爭。控制量子比特的嘗試通常依賴于對什么是噪聲以及造成噪聲的原因的假設。我們開發了一種協議，利用機器學習來研究噪聲，同時利用建模來預測系統對噪聲的反應，而不是做出假設。利用量子光子處理器，這種混合方法可以幫助量子計算機更精確、更高效地運行，從而影響我們未來控制量子設備的方式。我們相信，我們的新混合方法有可能成為量子計算領域的主流控制方法。"

主要作者、來自皇家墨爾本理工大學的 Akram Youssry 博士說，與傳統的建模和控制方法相比，新開發的方法的結果顯示出顯著的改進，可以應用于光子處理器以外的其他量子設備。他說："這種方法幫助我們發現并理解了我們設備的一些方面，這些方面超出了這種技術的已知物理模型。這將幫助我們在未來設計出更好的設備。"

這項工作發表在《Npj Quantum Information》上。

未來展望與量子計算的潛力

圍繞其團隊的光子設備設計和量子控制方法，可以創建量子計算方面的初創公司，他們將繼續研究其應用及其"全部潛力"。

量子光子學是最有前途的量子產業之一，因為光子學產業和制造基礎設施已經非常完善。與其他方法相比，量子機器學習算法在某些任務中具有潛在優勢，尤其是在處理大型數據集時。

"想象一下，在這個世界上，計算機的工作速度比現在快幾百萬倍，我們可以安全地發送信息而不必擔心信息被截獲，我們可以在幾秒鐘內解決目前需要幾年才能解決的問題。這不僅僅是幻想--這是由量子技術驅動的潛在未來，而像我們這樣的研究正在鋪平道路。"