研究人员采用基于测量的量子计算的不同方法

过去几年，开发量子计算机的竞争愈演愈烈。最先进的系统现在可以使用数十个量子位（或量子比特）来运行简单的算法，而量子位是量子计算机的基石。

大部分成功都是在所谓的基于门的量子计算机中实现的。这些计算机使用物理组件（最显著的是超导电路）来承载和控制量子比特。这种方法与传统的基于设备的经典计算机非常相似。因此，这两种计算架构相对兼容，可以一起使用。此外，未来的量子计算机可以利用制造传统计算机的技术来制造。

但日本理化学研究所量子计算中心的光量子计算研究团队采取了截然不同的方法。坂口淳、吉川淳一和团队负责人古泽彰没有优化基于门的量子计算机，而是开发基于测量的。

基于测量的计算

基于测量的量子计算机在称为簇状态的复杂量子态中处理信息，该状态由三个（或更多）量子比特组成，它们通过一种称为纠缠的非经典现象连接在一起。纠缠是指两个或多个量子粒子的属性保持联系，即使相隔很远。

基于测量的量子计算机通过对簇状态中的第一个量子比特进行测量来工作。该测量的结果决定了对第二个纠缠量子比特进行什么测量，这一过程称为前馈。然后，这决定了如何测量第三个量子比特。通过这种方式，任何量子门或电路都可以通过适当选择一系列测量来实现。

基于测量的方案在光学量子计算机上使用时非常有效，因为在光学系统中很容易纠缠大量量子态。这使得基于测量的量子计算机比基于门的量子计算机更具可扩展性。对于后者，量子位需要精确制造和调整以达到均匀性，并物理地相互连接。使用基于测量的光学量子计算机可以自动解决这些问题。

重要的是，基于测量的量子计算为光学系统提供了可编程性。“我们只需改变测量值就可以改变操作，”Sakaguchi 说。“这比改变硬件要容易得多，因为光学系统中的门控系统需要改变硬件。”

但前馈是必不可少的。“前馈是一种控制方法，我们将测量结果作为一种控制形式馈送到系统的不同部分，”Sakaguchi 解释道。“在基于测量的量子计算中，前馈用于补偿量子测量中固有的随机性。如果没有前馈操作，基于测量的量子计算就会变成概率性的，而实际的量子计算则需要是确定性的。”

光学量子计算研究团队及其同事（来自东京大学、捷克共和国帕拉茨基大学、澳大利亚国立大学和澳大利亚新南威尔士大学）现已展示一种更先进的前馈形式：非线性前馈。非线性前馈是实现基于光学的量子计算机中所有潜在门所必需的。研究结果发布在期刊上自然通讯。

“我们现在已经通过实验证明了使用新的非线性前馈技术进行非线性正交测量，”Sakaguchi 解释道。“这种类型的测量以前一直是实现基于光学测量的量子计算中的通用量子操作的障碍。”

光学计算机

光学量子计算机使用由光波包构成的量子比特。在其他机构，目前 RIKEN 团队的一些成员之前已经构建了基于测量的量子计算所需的大型光学簇状态。线性前馈也已实现，可以构建简单的门操作，但更高级的门需要非线性前馈。

2016 年提出了非线性正交测量的实际实现理论。但这种方法存在两个主要的实际困难：生成特殊的辅助状态（该团队于 2021 年实现）和执行非线性前馈运算。

该团队利用复杂的光学元件、特殊的电光材料和超快电子元件克服了后一个挑战。为此，他们利用了数字存储器，其中所需的非线性函数被预先计算并记录在存储器中。“测量后，我们将光信号转换为电信号，”Sakaguchi 解释说。“在线性前馈中，我们只是放大或衰减该信号，但对于非线性前馈，我们需要进行更复杂的处理。”

这种非线性前馈技术的关键优势在于其速度和灵活性。该过程需要足够快，以便输出可以与光量子态同步。

“既然我们已经证明可以进行非线性前馈，我们希望利用我们之前开发的系统将其应用于基于实际测量的量子计算和量子误差校正，”Sakaguchi 说道。“我们希望能够提高非线性前馈的速度，以实现高速光学量子计算。”

“但关键信息是，尽管基于超导电路的方法可能更受欢迎，是量子计算机硬件的一个有希望的候选者，”他补充道。