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量子光学

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光量子计算机将付出巨大的代价

明亮的光,高昂的价格:光量子计算的成本太沉重了吗?

约100 要创建一个实用的量子计算机来使用光来处理信息,将需要数十亿个光学组件。这是英国物理学家的结论,他们计算出制造容错线性光学计算机需要多少组件。他们的综合研究发现,与基于物质的处理器相比,基于光子的计算机所需的组件总数至少要大五个数量级。

与传统计算机的组件不同–非常可靠–量子逻辑器件很容易发生故障。这是因为用于存储和传输信息的实体–量子位(qubits)–与外界接触时很快失去了量子性质。例如,基于离子的量子位必须保持在超高真空条件下,以最小化它们与空气分子的接触。解决这种脆弱性的一种方法是创建一个容错量子计算机,其中单个“logical qubit”分布在许多不同的“physical qubits” – the latter being ions, superconducting circuits or photons. The idea is 那if one or more 物理量子位 fail, then the 逻辑量子位 can be recovered 和 the calculation can continue.

弱互动

Photons have several properties 那make them attractive for use as 物理量子位. They can store quantum information in several different ways, including in their polarization. Furthermore, photons can travel hundreds of kilometres in air or optical fibres 和 still retain their quantum information. Also, it is relatively straightforward to create pairs of entangled photons for use as input to a quantum computer. What is difficult, however, is to get these photons to interact with each other within the quantum computer –大多数量子计算过程需要的东西。

One option is to use nonlinear optical components 那cause photons to interact. The problem with such devices, however, is 那most photons will not interact 和 large numbers of input photons are required to get the desired output. In 2001 伊曼纽尔·尼尔(Emanuel Knill), 雷蒙·拉弗莱姆(Raymond Laflamme)杰拉德·米尔本 认识到无需光子彼此相互作用就可以实现量子计算。称为“线性光学量子计算”(LOQC),该方案使用纠缠的光子作为量子计算机的输入。但是,不是让这些光子在计算机中相互作用,而是对某些光子进行了特定的测量,而输出光子则提供了所需计算的结果。

容错LOQC可以使用相对简单的光学组件(例如反射镜,分束器和光子检测器)来实现,但它需要大量光子作为输入–因此需要大量的这些组件。该过程也是不确定的,这意味着并非每次执行计算的尝试都会成功,这意味着需要更多的资源。

严格的公差

现在, 西蒙·本杰明 和 colleagues at Oxford 和 Bristol universities have calculated how many devices would actually be needed to create a fault-tolerant LOQC. The researchers assumed 那a practical quantum computer would require about 1000 逻辑量子位以执行有用的量子过程,例如 索尔’s分解算法。他们假设模型计算机中的每个组件将在1000中损失一个光子,并且每个组件的错误率是100,000中的一个。目前尚无法实现这些公差,本杰明解释说,如果今天’如果使用公差,则LOQC的大小将更大。“我们选择的数字超出了最新水平,但可能并非不可能实现,并且表明即使到那时,总体资源成本仍然很高” he adds.

团队着眼于创建一个“3D cluster state”基于LOQC的量子计算机。在这种容错方法中,计算所需的所有纠缠都在计算之前创建,然后通过执行测量来执行。“A 3D群集状态 is an entity involving multiple photons 编织的 together to form the ‘fabric’ of the computer,” explains Benjamin. “By ‘woven’我的意思是说它们处于高度纠缠的状态,纠缠过程的成本很高,因为光子不会’彼此自然互动。”

数十亿个组件

的确,高昂的成本已在团队中得到证实’使用此方案创建实用的量子计算机所需的资源计算。他们估计有十万 detectors are required for each physical qubit in their hypothetical quantum computer. The numbers of mirrors 和 beamsplitters would also be about 100,000. Furthermore, each 逻辑量子位 in the computer would comprise 1000 物理量子位,以确保容错能力。这意味着高达100 建造一个包含1000个量子计算机的实用量子计算机将需要十亿个探测器 qubits.

本杰明指出,大约需要1000 physical qubits per 逻辑量子位 also applies to fault-tolerant systems made from ions or superconducting circuits. “Making a fault-tolerant quantum computer is 硬 和 needs at least millions of 物理量子位, but with the linear-optical approach there is the extra cost, another factor of 100,000 (or more) turning ‘hard’ into ‘so 硬, it may be impossible’,” he explains.

尽管如此庞大的组件数量似乎是创建实用LOQC系统的不可逾越的障碍,但本杰明指出,仍有前进的道路。“在可接受小缺陷的情况下,例如对于预测化学反应的模拟器,我们不会’不需要完全的容错能力,那么光子机器可能确实是一种优雅的方法,”他说。本杰明还告诉 physicsworld.com 那“there is another approach 那I am a big fan of, where matter systems [such as ions] store 和 process information, but they are linked up optically”. “It’这是两全其美的照片,其中小的孤立物质系统进行处理,而光子则进行’re good at – communicating,” he says.

计算在 物理评论X.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者