亞利桑那大學(xué)的研究人員展示了量子優(yōu)勢。圖片來源：亞利桑那大學(xué)

量子計(jì)算和量子傳感有可能比經(jīng)典的同類產(chǎn)品強(qiáng)大得多。一臺完全實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)不僅可以在幾秒鐘內(nèi)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年才能解決的方程，而且它可以對從生物醫(yī)學(xué)成像到自動駕駛等領(lǐng)域產(chǎn)生不可估量的影響。

然而，這項(xiàng)技術(shù)還沒有完全成熟。

事實(shí)上，盡管關(guān)于量子技術(shù)影響深遠(yuǎn)的理論廣為流傳，但很少有研究人員能夠利用現(xiàn)有技術(shù)證明量子方法比經(jīng)典方法更具優(yōu)勢。

在 6 月 1 日發(fā)表在《物理評論 X》雜志上的一篇論文中，亞利桑那大學(xué)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)表明，量子比經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

“展示量子優(yōu)勢是社區(qū)長期追求的目標(biāo)，很少有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明這一點(diǎn)，”論文合著者、材料科學(xué)與工程助理教授、亞利桑那大學(xué)首席研究員張哲深說。 Quantum Information and Materials Group 和該論文的作者之一�！拔覀冋�在尋求展示我們?nèi)绾卫�用已�?jīng)存在的量子技術(shù)來使現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用受益�！�

量子如何（以及何時(shí)）工作

量子計(jì)算和其他量子過程依賴于稱為量子位的微小而強(qiáng)大的信息單元。我們今天使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用稱為比特的信息單位，比特以 0 或 1 的形式存在，但量子比特能夠同時(shí)以兩種狀態(tài)存在。這種二元性使它們既強(qiáng)大又脆弱。微妙的量子位很容易在沒有警告的情況下崩潰，這使得稱為糾錯(cuò)的過程非常重要，該過程可以解決發(fā)生的問題。

量子領(lǐng)域現(xiàn)在正處于加州理工學(xué)院著名物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾 (John Preskill) 稱之為“嘈雜的中尺度量子”或 NISQ 的時(shí)代。在 NISQ 時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行只需要大約 50 到幾百個(gè)量子比特的任務(wù)，盡管存在大量噪聲或干擾。不僅如此，嘈雜聲壓倒了實(shí)用性，導(dǎo)致一切崩潰。人們普遍認(rèn)為，執(zhí)行實(shí)用的量子應(yīng)用需要 10,000 到幾百萬個(gè)量子位。

想象一下，發(fā)明一個(gè)系統(tǒng)，保證你做的每一餐都完美無缺，然后把這個(gè)系統(tǒng)提供給一群沒有正確食材的孩子。幾年后會很棒，一旦孩子們長大成人并且可以購買他們需要的東西。但在那之前，該系統(tǒng)的用處是有限的。同樣，在研究人員推進(jìn)可以降低噪聲水平的糾錯(cuò)領(lǐng)域之前，量子計(jì)算僅限于小規(guī)模。

量子信息理論組負(fù)責(zé)人莊群濤（左）和量子信息與材料組負(fù)責(zé)人張哲深均為工學(xué)院助理教授。圖片來源：亞利桑那大學(xué)

糾纏優(yōu)勢

論文中描述的實(shí)驗(yàn)混合使用了經(jīng)典技術(shù)和量子技術(shù)。具體來說，它使用三個(gè)傳感器對射頻信號的平均幅度和角度進(jìn)行分類。

傳感器配備了另一種稱為糾纏的量子資源，這使它們能夠相互共享信息并提供兩個(gè)主要好處：首先，它提高了傳感器的靈敏度并減少了錯(cuò)誤。其次，由于它們相互糾纏，傳感器評估全局屬性，而不是收集有關(guān)系統(tǒng)特定部分的數(shù)據(jù)。這對于只需要二進(jìn)制答案的應(yīng)用程序很有用；例如，在醫(yī)學(xué)成像中，研究人員不需要知道組織樣本中的每一個(gè)細(xì)胞都不是癌性的——只需要知道是否有一個(gè)細(xì)胞是癌性的。同樣的概念也適用于檢測飲用水中的危險(xiǎn)化學(xué)品。

實(shí)驗(yàn)表明，為傳感器配備量子糾纏使它們比傳統(tǒng)傳感器更具優(yōu)勢，將出錯(cuò)的可能性降低了很小但至關(guān)重要的幅度。

“這種使用糾纏來改進(jìn)傳感器的想法并不限于特定類型的傳感器，因此它可以用于一系列不同的應(yīng)用，只要你有糾纏傳感器的設(shè)備，”研究合著者 Quntao 說。電子與計(jì)算機(jī)工程助理教授、量子信息理論組首席研究員莊“從理論上講，你可以考慮像自動駕駛汽車的激光雷達(dá)（光檢測和測距）這樣的應(yīng)用�！�

莊和張開發(fā)了實(shí)驗(yàn)背后的理論，并在 2019 年的《物理評論 X》論文中對其進(jìn)行了描述。他們與詹姆斯 C. 懷特光學(xué)科學(xué)學(xué)院的博士生 Yi Xia 和材料科學(xué)與工程博士后研究員 Wei Li 共同撰寫了這篇新論文。

量子位分類器

在 NISQ 時(shí)代，現(xiàn)有應(yīng)用程序混合使用量子和經(jīng)典處理，但它們依賴于必須在量子領(lǐng)域進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分類的預(yù)先存在的經(jīng)典數(shù)據(jù)集。想象一下，拍攝一系列貓和狗的照片，然后將照片上傳到一個(gè)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)使用量子方法將照片標(biāo)記為“貓”或“狗”。

該團(tuán)隊(duì)正在從不同的角度處理標(biāo)記過程，首先使用量子傳感器收集自己的數(shù)據(jù)。這更像是使用專門的量子相機(jī)，在拍攝照片時(shí)將照片標(biāo)記為“狗”或“貓”。

“許多算法考慮存儲在計(jì)算機(jī)磁盤上的數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為量子系統(tǒng)，這需要時(shí)間和精力，”莊說�！拔覀兊南到y(tǒng)通過評估實(shí)時(shí)發(fā)生的物理過程來解決不同的問題。”

該團(tuán)隊(duì)對他們的工作在量子傳感和量子計(jì)算的交叉領(lǐng)域的未來應(yīng)用感到興奮。他們甚至設(shè)想有一天將他們的整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置集成到一個(gè)芯片上，該芯片可以浸入生物材料或水樣中，以識別疾病或有害化學(xué)物質(zhì)。

“我們認(rèn)為它是量子計(jì)算、量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子傳感器的新范式，因?yàn)樗�確實(shí)為連接所有這些不同領(lǐng)域搭建了一座橋梁，”張說。