量子计算的飞跃！澳研究团队发明新型光量子处理器

内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

编辑丨慕一  编译/排版丨沛贤

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澳大利亚研究人员成功研制出全球首款可重新编程的基于光的量子处理器，这一创新成果通过最小化光损失，可极大提升量子计算的效率与可扩展性，还有望在安全数据传输与传感应用领域实现突破，从而引领量子计算和安全通信的进一步发展。

前沿量子技术已对药物研发及其他微观领域应用产生了深远影响。未来，大规模量子计算机有望攻克当前计算技术难以应对的复杂难题。

ARC量子计算和通信技术卓越中心 (CQC2T) 的首席研究员、澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）的Alberto Peruzzo教授提到，其团队研发的设备以光子作为信息载体，通过最小化“光损失”以提高量子计算效率。

Peruzzo表示：“如果失去光，就必须重新开始计算。在光损失方面，我们的设计使光量子计算机更加高效，这对于计算的持续进行至关重要。这一技术潜在的应用还包括：能改进‘不可破解’的通信系统的数据传输能力、增强环境监测能力、改进医疗服务中的传感应用等。”

澳大利亚皇家墨尔本理工大学团队的可重新编程的光基处理器。（图片来源：网络）

该团队在一系列实验中对光基量子处理器进行了重新编程，通过施加不同的电压，实现了相当于 2,500 个设备的性能。他们的结果和分析发表在《Nature Communications》（《自然通讯》）上。

Peruzzo说：“这项创新可以为光量子处理器带来一个更加紧凑和可扩展的平台。”

该研究的主要作者、皇家墨尔本理工大学博士生Yang Yang表示，该设备完全可控，能够快速重新编程，降低功耗，可以取代许多定制设备。他说：“我们在单个设备上通过实验演示了不同的物理原理，就像有一个开关来操控粒子的行为，这将助力我们理解量子世界和创造新的量子技术。”

意大利特伦托大学的Mirko Lobino教授使用一种名为“铌酸锂”的晶体，制造了这种创新的光子器件，由于铌酸锂具有独特的光学和电光效应，所以它是研发光学和光量子领域各种应用的理想选择。

Lobino说：“我们的研究团队参与了这款设备的制造过程，这是一项极具挑战性的任务。为了实现设备所需的高可靠可重构性，我们必须微型化波导顶部的大量电极，这是一项精密而复杂的工作。”

美国印第安纳大学与普渡大学印第安纳波利斯联合分校的Yogesh Joglekar教授在凝聚态物理学方面拥有丰富的专业知识。他说：“可编程光子处理器提供了一条探索一系列发现的新路径，这将为技术和科学带来惊人的进步。”

与此同时，Peruzzo的团队还开发了世界上第一个混合系统，该系统将机器学习与数学建模相结合，对光子处理器进行编程以操控量子设备。

Peruzzo表示，量子计算机的操控对于确保数据处理的准确性和效率至关重要。他说：“设备输出精度面临的最大挑战之一是噪声，在量子环境中这是一种干扰，会影响量子比特性能。

许多行业都在全面开发量子计算，但他们仍在与噪声引起的错误和低效率作斗争。要操控量子比特，需要假设噪声是什么以及噪声的产生原因。而我们没有做出假设，而是开发了一种‘协议’，该‘协议’使用机器学习来研究噪声，同时还使用数学建模来预测系统对噪声的响应。”

Peruzzo表示，通过使用光量子处理器，这种混合方法可以帮助量子计算机更精确、更高效地运行，从而影响我们未来操控量子设备的方式。相信我们的新混合方法有潜力成为量子计算的主流操控方法。

皇家墨尔本理工大学的 Akram Youssry 博士表示，新研究方法的结果显示，相对于传统建模和操控方法，新方法有显著改进，并且可以应用于光子处理器之外的其他量子设备。

他说：“该方法帮助我们发现并全面认知现有设备的各个层面，超出了该技术的已知物理模型，这将有助于我们在未来设计出更好的设备。” 这项工作已发表在《NPJ Quantum Information》杂志上。

Peruzzo表示，他们将继续研究这一技术的相关应用和潜力。可以围绕他们团队的光量子器件设计和量子操控方法，来创建量子计算初创公司。

他说：“光量子学是最有前途的量子产业之一，因为光子产业和制造的基础设施已经趋于成熟。在某些任务中，尤其是在处理大型数据集时，量子机器学习算法比其他方法具有更多优势。想象一下，在一个这样的世界里，计算机的运行速度比现在快数百万倍，我们可以安全地发送信息而不必担心信息被拦截，可以在几秒钟内解决目前需要数年时间才能解决的问题。这不仅仅是幻想，这是由量子技术驱动的潜在未来，像我们这样的研究正在为此铺平道路。”