慕尼黑工业大学等提出新方案！成功在容错量子总线架构中实现远程数据传输

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2024-12-27 19:23发布于四川

12月26日，慕尼黑工业大学、慕尼黑量子科学与技术中心（MCQST）的研究团队在《npj Quantum Information》期刊上发表题为“Long-range datatransmission in a fault-tolerant quantum bus architecture”（在容错量子总线架构中实现远程数据传输）的研究论文。Shin Ho Choe为论文第一作者兼通讯作者，Robert König副教授亦参与此项工作。

在本文中，研究人员提出了一种容错方案，用于在长度为R的矩形量子比特阵列的端点处生成长程纠缠，阵列的截面是由m=O(log^2 R)个量子比特构成的正方形。该方案通过一个恒定深度的电路实现，该电路产生一个恒定保真度的贝尔对（与R无关），用于强度低于实验现实阈值的局域随机噪声。该方案可以视为量子计算架构中的一个量子总线，其中量子比特排列在矩形的3D网格上，所有操作都是在相邻量子比特之间进行的。它也可以被看作是一个沿直线的量子中继协议，相邻的中继器被放置在短距离内，以允许恒定保真度的最近邻操作。为了展示出协议使用的量子比特数量接近最优，研究人员展示了任何通过恒定深度电路实现的距离-R抗噪纠缠生成方案要求每个中继器至少m=Ω(log R)个量子比特。

背景

在量子计算机中，对空间分离的量子比特进行操作的能力是一个关键要求。远程量子通信也是量子信息理论和量子网络中的密码学协议的核心基本元素，以及例如分布式量子计算或分布式传感。随着当前设备的能力越来越强大，它们可以作为这样一个网络中的本地节点，寻找适当的协议来分享纠缠和在有故障的网络上进行量子通信，仍然是当今研究中的一个活跃和中心的主题。

理论方法

本文为了展示该协议使用的量子比特数量接近最优，证明了任何通过恒定深度电路实现的距离-R抗噪纠缠生成方案要求每个中继器至少m=Ω(logR)个量子比特。该方案通过优化以下几个方面来解决当下设备的具体限制：

1.量子比特效率与距离的关系：该协议能够在距离R处的两个量子比特上容错地生成贝尔对，使用的量子比特网格大小为d×d×R，其中d=O(log R)。也就是说，总共仅使用O(R log^2 R)个量子比特。

2.操作的简单性（几何局域性）：该方案仅涉及架构中最近邻量子比特之间的一量子比特和两量子比特门。该架构可以通过堆叠平面芯片式设备实现，并通过第三个维度连接相邻设备。

3.对一般错误的抗噪性：他们提供了一个严格的抗噪性证明，形式为容错阈值定理，允许完全一般（电路级）的局域随机噪声。

4.短相干时间和最小延迟：每个量子比特所需的相干时间与整体通信距离R无关：它只需要与局域操作时间t_local的量级相同。这是执行单个量子比特门、两量子比特门、单个量子比特测量或两个相邻量子比特之间的纠缠门所需的最大时间。

实验方案

在量子计算架构领域，文中给出的协议在空间上远距离的量子比特之间执行门或测量的场景中特别有益。例如，使用量子低密度奇偶校验（LDPC）码时，其稳定子生成器在空间上不是局域的。通过该方案，可以设计一个准2D架构，允许对总共n个量子比特的任何大小为ℓ=O(1)的子集进行联合测量。每个这样的ℓ量子比特测量都以恒定的保真度在恒定的时间内执行（最多进行保罗校正，其经典后处理通常可以推迟到后期）。该架构总共需要O(n-polylog(n))个量子比特。当与最近发现的参数接近最优的量子LDPC码结合使用时，这种对数开销只会导致编码率以逆多项式对数函数衰减。

该方案提供了一个候选架构，用于在量子设备内部传输量子信息，但也可以用于设备之间的信息传输。在这种装置中，通常考虑一排等距放置的中继器，每个中继器控制m个量子比特，相邻中继器通过（不完美）量子通信以及经典通信链路连接，目标是在第一个和最后一个中继器（相隔R-1的距离）之间建立纠缠。假设每个中继器可以完全控制其量子比特，即可以应用任何量子电路，这种设置允许（通过中继器之间的量子隐形传态）不完美地实现一个适应性量子电路在mR个量子比特上，该电路仅使用与相邻中继器关联的量子比特对之间的门，以及仅作用于其自身量子比特的门。任何距离-R纠缠生成的中继器协议都相当于这种形式的电路，反之亦然，这些限制的电路可以被视为中继器协议。在该架构中，量子比特位于尺寸为d×d×R的3D矩形晶格的位点上。可以为每个j∈{1,…,R}定义一个中继器Rj，其由“切片”{1,…,d}×{1,…,d}×{j}中的量子比特组成。然后电路构造立即转化为具有以下理想特征的中继器协议：

1、长通信距离：作为总通信距离R的函数，每个中继器只需要操控m=O(log^2 R)个量子比特。这与目前已知的最佳提案一致，这些提案对远程量子通信具有多项式对数扩展。

2、操作的简单性：假设中继器通过m个链路（沿通信方向）适当连接，所有在每个中继器Rj的操作在m=O(log^2 R)量子比特排列在2D阵列时都是几何局域的。

3、对全电路级局域随机噪声的抗噪性：如果每个中继器实现的电路达到局域随机噪声，就足够了，任何中继器都不需要容错量子计算机。

4、恒定的相干时间和最小延迟：每个中继器只需要在t_local的量级内保持相干。此外，长程纠缠态在经过量级为T_ent=O(t_local)的时间后可用。特别是，不需要具有可扩展量子比特寿命的量子内存。