颠覆传统量子比特？！光基“量子模式”（qumode）开辟全新计算路径

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发布时间：2024-01-31

量子光源是以光子而非物理量子比特编码信息的系统的关键组成部分

量子计算机的构建基础——量子比特，是一种具有两种潜在测量结果的物理实体。

以电子为例，它的自旋状态可被观测为顺时针或逆时针两种情况之一。

然而，物理学家们最近展示了一种新型的量子计算基础元素：“量子模式”（qumode）。

这一概念最初于2001年被提出。与传统量子比特不同的是，qumodes在测量时展示的特性（如本例中的光脉冲亮度）能沿着一个连续的谱线变化，而非仅限于两个离散的状态。

简单来说，qumode是一种量子力学谐振子。也就是说，如果把一个谐波振荡器（例如钟摆或弹簧上的金属块）做得足够小，使量子力学开始发挥作用，那么最终会发现这样一个系统具有离散的量子态：科学家们将利用这些量子态来编码信息。

与量子比特不同，单个qumode的基础包含无限多的状态，因为qumode可以包含任意数量的光子。事实证明，如果有N个qumode和n个光子，那么有

种不同结果。

这与我们在量子比特情况下得到的答案截然不同。这突出了qumode和量子比特之间的一个重要区别：它们的状态空间结构完全不同。

为了创建这些qumodes，来自东京大学的Shunya Konno及其团队精心调整了激光脉冲，每次仅移除一个光子，并在成对的脉冲之间产生干涉效果。

研究人员随后展示了这些经过特殊处理的脉冲拥有执行“数字”量子计算和修正其过程中错误的能力。

——据预测，这些态具有容错性，可以轻松实现量子纠错码。实现这种工程光子态对于开发大规模光量子计算机非常重要。

这一发现意味着，经过进一步研究，仅几个光量子就有可能执行那些在传统量子计算机中需依靠数百甚至数千量子比特完成的复杂量子算法。

理论研究指出，研究中描述的方式生成的光学GKP态是一种传播波，因此它们可以无缝地耦合到各种类型的光量子处理器中，而不需要任何额外的过程——如波长转换。

基于qumode的光量子计算机在速度上可能超越传统基于量子比特的机型，且更易于大规模制造，同时避免了计算过程中出现的不切实际的错误率。

光学系统中的GKP态及其生成方法

实验设置

正交分布和重构Wigner函数

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-024-00179-5

[2]https://quixquantum.medium.com/qumodes-vs-qubits-explained-part-i-a5ea4e252ca7

[3]https://www.t.u-tokyo.ac.jp/en/press/pr2024-01-19-001

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