量子计算开始「拉群聊」？牛津大学团队创新分布式量子计算架构登上Nature

近期，牛津大学研究团队在Nature发表最新研究成果，通过光子网络接口，他们成功将两个独立的量子处理器连接成一台完全互联的量子计算机，为解决此前无法攻克的计算难题铺平了道路。研究团队通过实验展示了两个光子互连的离子模块间的分布式量子计算，在两米的距离上实现了确定性的量子门传送。并在此基础上运行了Grover搜索算法，成功率为71%。 

▲研究论文以《通过光网络链路实现分布式量子计算（Distributed quantum computing across an optical network link）》为题，发表于《自然》杂志。

量子计算可以处理复杂的计算任务，速度远胜传统计算机，拥有革命性的潜力。而这一潜力实现的关键，在于是否能制造出更强大的量子计算机。一台足以颠覆行业的量子计算机需能处理数百万个量子比特，但如何精确控制和连接量子比特，是一个重要难题。任何微小的误差都可能导致量子计算结果不准确。此外，量子比特易受环境影响，相干时间有限，在它失去量子特性之前，必须完成计算任务。

为此，牛津大学研究团队提出了一种创新的分布式量子计算架构，通过连接小型量子设备，使计算任务分布至网络中完成。该实验的原理类似传统超级计算机：通过连接小型计算机实现超越单一单元的性能。此策略既避免了在单一设备中集成海量量子比特的工程难题，又保留了量子计算所需的精密特性。理论上，网络中可连接的处理器数量没有上限。^[1]   

▲图：分布式量子计算架构

这一可扩展架构基于模块化设计，每个模块仅包含少量离子阱量子比特。它们通过光纤互联，利用光子而非电信号传输数据。光子链路使不同模块的量子比特实现纠缠，并通过量子隐形传态跨模块执行量子计算。

本研究首次展示了量子门在光网络中的跨模块传输。光子链路赋予了系统灵活性，可在不破坏整体架构的情况下升级或替换模块。研究人员表示，这为未来“量子互联网”奠定了基础——远程处理器可形成超安全网络，支持通信、计算与传感。

论文第一作者、牛津大学物理系杜格尔·梅因（Dougal Main）解释道：“我们的工作通过量子隐形传态在远程系统间建立相互作用。通过精确调控这些相互作用，我们能在不同量子计算机的量子比特间执行量子门。这一突破使多个量子处理器可“无缝互联”，形成一台完全集成的量子计算机。”

通过对不同输入态进行量子门操作和量子态层析，研究人员测试了这套量子门传送方法的保真度： 

传送CNOT门的保真度为86.2%，略低于理论极限； 

传送iSWAP门的保真度为70%，需要2次量子门传送；

传送SWAP门的保真度为64%，需要3次量子门传送。

实验生成的纠缠态保真度为96.89%，这标志着量子纠缠在分布式量子计算中的稳定性和可靠性得到了验证。

在此基础上，研究人员还构建了基于量子门传送的分布式量子线路，成功运行了Grover搜索算法。Grover算法是一种量子搜索算法，可在未排序的数据库中以平方级加速找到特定目标。 在实验中，他们使用两个相距两米的量子模块来实现Grover算法，在无序的数据集中以远超经典计算里的速度搜索特定目标。对于四个可能的搜索项，他们能够以71%的平均成功率找到目标项，这一结果远优于经典算法的平均查询次数。

该研究不仅证明了分布式量子计算的可行性，还为未来构建更大规模的量子网络奠定了坚实基础，有望成为实现大规模容错量子计算的关键技术。研究负责人、牛津大学物理系教授大卫·卢卡斯（David Lucas）表示，基于现有技术实现网络化分布式量子信息处理是可行的。但扩展量子计算机仍面临巨大挑战，未来数年内需要物理学和工程学的大量努力。