新型多層量子系統，構建通用量子計算機更簡單

選自 Science Daily

機器之心編譯

參與：Quantum Cheese、李亞洲

量子計算機之所以這麼難建造，是因為直到現在科學家還沒找到一種簡單的方法控制量子比特組成的複雜系統。該研究發現了一種新途徑：論文作者們使用一個處於多種狀態的系統，而不是把多個兩態系統（ two-state systems）合為一體。這種方法被證明更加有效，因為創造一個穩定的多層系統（multi-level system）比維持複雜系統的穩定性更容易。

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一個多層級量子系統－ququart

莫斯科物理技術研究所（MIPT）和俄羅斯量子中心（Russian Quantum Center）的物理學家們發現了一種新方法，可以更容易地建造出通用量子計算機，他們利用多層量子系統（qudits），每個系統都能作用於多個「傳統」量子元素－量子比特。

MIPT 量子信息理論實驗室的科學主管，同時也是列別捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute）成員之一的 Vladimir Man』ko 教授，俄羅斯量子中心的成員之一 Aleksey Fedorov，以及他的同事 Evgeny Kiktenko，在《物理評論 A（Physical Review A）》、《物理快報A（Physics Letters A）》、Quantum Measurements、以及 Quantum Metrology 期刊上發表了一系列關於多層量子系統的研究論文。

「在我們的研究中，我們證明了複合量子系統中量子信息技術使用的相關性近似也會出現在非複合系統中，我們認為這種系統在特定情況下更容易操控。特別地，在最新的論文中，我們提出了在一個八層級系統中利用內自由度之間的糾纏實現量子傳送協議的方法，之前我們用三個二層級系統實驗性地實現過這個協議，」 Vladimir Man』ko 說。

量子計算機很有可能為計算機技術帶來一次革命，構建量子計算機的基本處理單元叫做量子比特－qubit。傳統計算機的基本單元（比特）可以有兩種狀態（邏輯 0 和邏輯 1），而基於量子物體的量子比特則能處在兩種狀態的相干疊加態上，也就是說它們可以對邏輯 0 和 1 之間的中間態編碼。當一個量子比特被測量時，測出的結果的有一定的概率是 0 或 1（這由量子力學定律決定）。

在量子計算機中，某個特定問題的初始條件是寫在量子系統的初始狀態上的，然後這些量子比特就會進行某種特定的交互（由具體問題決定），最後，用戶通過測量量子比特的最終狀態得到問題的答案。

量子計算機將能夠解決那些即使最強大的傳統超級計算機也無能為力的問題。比如說，在密碼學中，破解 RSA 演算法要進行大數字的質因子分解，一台傳統計算機所需要的時間跟宇宙的年齡差不多長。而如果用一台量子計算機，則能用幾分鐘就解決問題。

然而，量子革命的道路上有一個巨大的阻礙——量子態的不穩定性。離子、電子、約瑟夫結（Josephson junctions）等這些用於構建量子比特的量子態物體只能在很短的時間內維持一定的量子態。但是完成量子計算不僅需要量子比特維持他們的狀態，還需要他們彼此相互作用。全世界的物理學家都在努力延長量子比特的壽命。超導量子比特以前只能「存活」幾納秒，而現在他們能讓這些量子比特在退相干前維持幾毫秒的穩定－這與計算需要的時間更接近了。

但是對於一個有成百上千量子比特的系統中，這個問題本質上就更複雜了。

Man』ko、 Fedorov 和 Kiktenko 則開始從另一個角度看待這個問題，他們不再試圖維持一個大型量子比特系統的穩定，而是去嘗試增加系統要求計算能力的維度。他們正在探索用多層量子系統（qudit）而不是量子比特進行計算的可能性。多層量子系統中的量子態物質有兩個以上的可能狀態（層級）。比如三層級的 qutrits，四種狀態的 ququarts 等。有可能證明使用 qudit 比用量子比特更有效，相關演算法正被積極的研發。

「一個有四五個層級的 qudit 可以像一個普通的兩量子比特系統一樣工作，而八層級則足以模擬一個三量子比特系統。一開始我們把這看作是一個數學等式，能讓我們得到新的熵干涉。比如，我們得到了孤立在一個四五層級系統的狀態空間中虛擬量子比特之間的交互信息（干涉的測量值），」Fedorov 說道。

他和同事證明，在一個用人造原子建造的五層級的 qudit 中進行完整的量子計算是可行的，尤其對於 Deutsch 演算法的實現。這種演算法被設計用來檢測大量二進位變數的值。

它可以被叫做偽幣演算法：想像你有一大堆硬幣，有些是偽造的－它們正反面的圖案跟真幣是一樣的。如果用「 傳統方法」找出這些假幣，你必須兩面都檢查。但用 Deutsch 演算法你就能把一個硬幣的正反兩面「合并」起來，所以只需要檢查一面就能找到假幣了。

用多層級系統模仿多量子比特過程的想法早先被喀山物理科技研究所（Kazan Physical-Technical Institute）的俄羅斯物理學家提出過。比如，他們提出用一個有四種不同狀態的 3/2 核自旋來運行二量子比特 Deutsch 演算法。近年來，在超導電路中創造量子比特的實驗已經顯現出了好幾點優勢。

然而超導電路需要五個層級：第五層作為輔助，以實現整套所有可能的量子操作。

Fedorov 表示「我們取得了很大的進展，因為在確定的物理運作中控制多層級 qudits 比控制有同樣多量子比特數的系統更容易，而且這意味著我們距離建造出一個成熟的量子計算機更近了一步。在其它量子技術中，多層級元素也有很大的優勢，比如量子加密。」

參考文獻：

1. E.O. Kiktenko, A.K. Fedorov, V.I. Man』ko. Teleportation in an indivisible quantum system. Quantum Measurements and Quantum Metrology, 2016; 3 (1) DOI: 10.1515/qmetro-2016-0003

2. E. O. Kiktenko, A. K. Fedorov, O. V. Man ko, V. I. Man ko. Multilevel superconducting circuits as two-qubit systems: Operations, state preparation, and entropic inequalities. Physical Review A, 2015; 91 (4) DOI: 10.1103/PhysRevA.91.042312

3. E.O. Kiktenko, A.K. Fedorov, A.A. Strakhov, V.I. Man ko. Single qudit realization of the Deutsch algorithm using superconducting many-level quantum circuits. Physics Letters A, 2015; 379 (22-23): 1409 DOI:10.1016/j.physleta.2015.03.023

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