近日，北京量子信息科學研究院（以下簡稱“量子院”）量子計算云平臺李鐵夫、劉玉龍團隊和清華大學吳熱冰團隊受邀，從理論和實驗兩個方面總結(jié)飛行量子比特控制領(lǐng)域的最新研究進展。相關(guān)成果以“Flying-Qubit Control: Basics, Progress, and Outlook”為題發(fā)表在《Science Partner Journal: Advanced Devices & Instrumentation》上。

飛行量子比特（Flying Qubit）是量子網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點之間線路里量子信息傳輸?shù)闹匾d體。普適量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑所需關(guān)鍵技術(shù)往往包括（但不限于）分布式多比特位計算節(jié)點、量子計算節(jié)點間的相干互聯(lián)以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)等。量子信息的傳遞過程，通常以光子（Photon）或聲子（Phonon）等量子化的行波場為載體，將節(jié)點處靜止量子比特（Standing Qubit）的量子信息，從一個節(jié)點傳遞到其它節(jié)點。此外，高保真信息傳輸，仍然需要精確控制被編碼的飛行量子比特的產(chǎn)生、接收和轉(zhuǎn)換過程。

以當下固態(tài)量子計算處理器的實現(xiàn)方式之一的超導量子計算技術(shù)路線為例，受到制冷功率、測控布線等諸多技術(shù)限制，單個量子計算單元內(nèi)部可高保真度操控的量子比特數(shù)目在幾百個比特數(shù)量子。基于當下量子比特門的保真度，朝著實用化量子計算方向發(fā)展，突破盈虧點后實現(xiàn)具備糾錯能力的邏輯計算芯片所需物理比特的數(shù)量甚至達到幾十萬量級?？蓴U展、分布式量子計算的架構(gòu)成為當下研究的熱點。在原理驗證階段，蘇黎世聯(lián)邦理工學院率先展示了兩臺低溫稀釋制冷機器的協(xié)同合作，內(nèi)部芯片互聯(lián)距離超過5米，最近該課題組又將傳輸距離提升到幾十米量級。普適量子網(wǎng)絡(luò)具備多節(jié)點間量子信息互聯(lián)的能力，這里信息的傳遞可以基于微波或者光頻段的飛行光子。

飛行量子比特控制系統(tǒng)可以看作是耦合了多個量子通道耦合的開放量子系統(tǒng)，其輸入有經(jīng)典輸入和量子輸入，其輸出僅考慮量子輸出，同時系統(tǒng)受到環(huán)境噪聲的影響。根據(jù)量子輸入場和量子輸出場的特點，飛行量子比特控制問題可分為3類：產(chǎn)生、接收和轉(zhuǎn)換。從理論角度，研究團隊分析并比較了飛行量子比特控制的不同建模方法，包括主方程方法、量子軌跡方法、散射矩陣方法、量子隨機微分方程方法、量子朗之萬方程方法和非線性光學方法等；從設(shè)計方案出發(fā)，對各種控制目的和策略進行了深入的探討；最后從實驗角度出發(fā)，討論了飛行量子比特控制可能的應(yīng)用。飛行量子比特精確控制的實現(xiàn)在量子相干互連、構(gòu)建具有多比特量子芯片、量子計算機互聯(lián)和量子通信網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場景中起著至關(guān)重要的作用。

研究團隊總結(jié)了關(guān)于飛行量子比特控制理論、實驗的研究基礎(chǔ)和進展，不僅對于實現(xiàn)上述討論的三類量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用場景具有重要意義，其研究結(jié)論對其它類型的量子系統(tǒng)的研究也具有潛在的參考價值，如量子中繼器、量子測量、量子傳感器和量子反饋系統(tǒng)等。

目前，關(guān)于簡單的量子系統(tǒng)和控制目的，飛行量子比特控制的理論研究已經(jīng)取得了一定的研究進展，但對于復雜的量子系統(tǒng)和控制目的，則需要進一步深入研究，不斷系統(tǒng)地拓展飛行量子比特控制理論的研究對象和控制目的。同時，環(huán)境噪聲的影響也需要考慮，如溫度變化和其它器件的耦合干擾。與此同時，與靜止量子比特控制實驗相比，飛行量子比特控制實驗的研究相對滯后，這方面需要加快研究步伐。

該論文第一作者為量子院博士后李文龍、助理研究員孫換瑩，通訊作者為量子院副研究員劉玉龍、清華大學/量子院兼聘研究員李鐵夫、清華大學副教授吳熱冰。該工作得到國家自然科學基金、北京市科學技術(shù)委員會、中關(guān)村管委會以及北京自然科學基金等項目的支持。

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