来自中国和美国的国际科学家团队开发了一种可扩展的协议，用于在36量子比特超导量子电路中进行高保真量子态转移（QST）。
研究人员专注于优化量子比特耦合，以克服二维量子网络中的量子混沌。
随着量子计算系统的发展并专注于使用更多的固态架构，对高保真、短程量子通信的需求也在增加。特别是，超导量子比特受到青睐，因为它们在构建二维量子网络方面提供了更多的可扩展性和实用性。
在二维网络中，更传统的QST方法面临着错误累积的挑战。因此，研究人员提出了一种专注于优化量子比特耦合的替代方法。
Phys.org 与《自然通讯》研究背后的一些研究人员进行了交谈，以更多地了解他们的工作。
共同作者、来自中国浙江大学的郭秋江教授和博士后研究员梁翔博士解释了他们研究背后的动机：“从技术上讲，固态量子系统不同部分之间的短程通信对量子处理器的扩展和量子算法的有效实现都提出了要求。
“另一方面，可编程超导处理器是作为量子信息传输介质的自然选择。然而，量子态转移的实验证明主要局限于量子比特很少的小链，“他们说。
了解 QST“在寻求构建成熟的量子计算机的过程中，人们的目标是重现其经典对应物的能力，即处理，存储和通信，”该研究的合著者、加州大学戴维斯分校的Richard T. Scalettar教授说。
“我们的研究集中在后者，解决如何在量子设备的两端之间有效地传输量子态，”休斯顿大学的Rubem Mondaini教授补充道，他也是该研究的合著者。
QST是将量子系统的状态从一个量子比特转移到另一个量子比特的过程。它是所有量子信息和通信系统的基础。
当提到QST的保真度时，它意味着信息传输的准确程度，没有错误或退相干。主要挑战之一是最大限度地减少由于环境相互作用而导致的误差。
先前的研究已经证明了QST适用于理想的单颗粒系统。
Mondaini教授解释说：“这种原始方法未能解释这样一个事实，即实际的量子设备远非完美，没有缺陷或不需要的耦合的理想情况与现实生活中的量子设备中可能看到的情况不同。
量子比特耦合和量子混沌对于量子通信，关键要素之一是量子比特耦合。这是量子比特之间的交互，其中一个量子比特的状态会影响另一个量子比特的状态。它通常由超导量子比特的电磁场介导。这种相互作用的程度是通过耦合强度来衡量的，耦合强度通常可以调整或控制。
虽然系统中量子比特之间的信息传输需要量子比特耦合，但它也带来了混沌等挑战。
量子混沌是指量子系统的行为由于系统内的复杂相互作用而不可预测的状态。这种不可预测性对系统的初始状态高度敏感，导致行为发生重大变化，初始条件略有变化。
在量子比特之间具有高耦合强度的系统中，混沌被夸大，通过破坏相干性导致QST中的错误。正如蒙代尼教授所提到的，缺陷（如不规则或不完美）也会加剧混乱的行为。
因此，管理量子系统中的混沌对于量子通信至关重要。
“我们的方法适用于非理想量子网络，即即使量子比特之间的耦合不能设置为完美状态转移所需的预先确定的值，”Scalettar教授说。
蒙特卡洛退火该团队使用混合方法解决了这个问题，其中经典计算机执行优化任务，超导量子电路使用优化来执行QST。
为了进行优化，研究人员使用了一种称为蒙特卡洛（MC）退火的方法。退火是冶金中使用的一种工艺，将材料加热到非常高的温度，然后缓慢冷却以改变材料的性能。
在这种情况下，研究人员希望最大限度地提高保真度（或高效QST）并优化耦合强度参数。简单地说，他们希望找到耦合强度的最佳值，以便我们获得有效的QST。
探索每一种可能的配置来优化耦合强度是不切实际的。MC方法对超导量子电路中的耦合进行随机采样和优化。
这种随机或概率方法有效地导航参数值，以最大限度地提高 QST 的保真度。该过程是迭代的，耦合强度根据概率采样和经典计算能力进行调整。
实现 36 量子比特超导量子电路研究人员使用他们的优化技术来采用2D 6x6超导量子比特网络，即包含36个量子比特的网络。
他们测试了这个网络的三种类型的量子态，并进行了转移。
第一种是单激发转移，这意味着系统中只有一个量子比特被激发。目的是了解这种激发是如何在量子系统内的多个量子比特之间传递的。
对于单激励传输，保真度为0.902。0.902 的保真度意味着实际传输的状态与所需状态非常匹配，准确率为 90.2%。
对于双激发传输（两个激发的量子比特），保真率为0.737，也就是说信息传输的准确率为73.7%。
研究人员还测试了他们的网络传输贝尔状态。贝尔态是两个最大纠缠量子比特的状态。当量子比特处于贝尔状态时，它们的量子特性是相关的，因此，如果你测量一个量子比特的状态，你就会立即知道另一个量子比特的状态，无论它们相距多远。
在这种情况下，发现两个量子比特对之间的保真度为0.84。证明贝尔态的QST至关重要，因为它验证了基本的量子原理。
郭教授说：“我们不仅在技术上展示了蒙特卡罗退火过程以提高转移保真度，而且还从量子混沌行为和大自旋表示的角度揭示了潜在的物理图像。
“我们的发现远远超出了以前的实验范围，不仅建立了一种在不完美的二维网络中实现少粒子QST的实用方法，而且还揭示了角动量理论和量子遍历性对QST的基本物理理解，”Xiang博士补充道。
展望未来该团队的优化方法的工作方式是，量子网络中量子比特之间的耦合逃避了量子混沌的表现，他们的实验结果证实了这一点。
在谈到其协议的潜在直接应用时，Mondaini教授和Scalettar教授说：“通过连接一系列较小的量子处理器，可以促进未来量子设备的制造。在它们中的每一个中传输一个状态，然后将状态传递给下一个状态将形成一个分布式量子处理器，它可以使用我们开创的方法。
从本质上讲，这凸显了其系统在大型互连系统中的可扩展性和实用性。
郭教授和Xiang博士补充说，他们的系统还可以提供一种建设性的技术，用于设计量子通道和路由器，作为连接处理器节点的构建块。
他们说：“基于高保真量子状态转移，人们可以在量子处理器上实现高效的远程量子门，从而加快量子算法的速度。
因此，他们的协议可以为开发量子通信和信息网络的基础组件开辟可能性。
更多信息：Liang Xiang 等人，通过规避量子混沌行为增强量子态转移，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48791-3
期刊信息： Nature Communications
