近日，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“量子院”）量子計(jì)算云平臺(tái)李鐵夫、劉玉龍團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)吳熱冰團(tuán)隊(duì)受邀，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面總結(jié)飛行量子比特控制領(lǐng)域的最新研究進(jìn)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(diǎn)與節(jié)點(diǎn)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(jì)算節(jié)點(diǎn)、量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(guò)程，通常以光子（Photon）或聲子（Phonon）等量子化的行波場(chǎng)為載體，將節(jié)點(diǎn)處?kù)o止量子比特（Standing Qubit）的量子信息，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到其它節(jié)點(diǎn)。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(guò)程。

以當(dāng)下固態(tài)量子計(jì)算處理器的實(shí)現(xiàn)方式之一的超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)路線為例，受到制冷功率、測(cè)控布線等諸多技術(shù)限制，單個(gè)量子計(jì)算單元內(nèi)部可高保真度操控的量子比特?cái)?shù)目在幾百個(gè)比特?cái)?shù)量子?；诋?dāng)下量子比特門的保真度，朝著實(shí)用化量子計(jì)算方向發(fā)展，突破盈虧點(diǎn)后實(shí)現(xiàn)具備糾錯(cuò)能力的邏輯計(jì)算芯片所需物理比特的數(shù)量甚至達(dá)到幾十萬(wàn)量級(jí)?？蓴U(kuò)展、分布式量子計(jì)算的架構(gòu)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。在原理驗(yàn)證階段，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院率先展示了兩臺(tái)低溫稀釋制冷機(jī)器的協(xié)同合作，內(nèi)部芯片互聯(lián)距離超過(guò)5米，最近該課題組又將傳輸距離提升到幾十米量級(jí)。普適量子網(wǎng)絡(luò)具備多節(jié)點(diǎn)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(gè)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(shí)系統(tǒng)受到環(huán)境噪聲的影響。根據(jù)量子輸入場(chǎng)和量子輸出場(chǎng)的特點(diǎn)，飛行量子比特控制問(wèn)題可分為3類：產(chǎn)生、接收和轉(zhuǎn)換。從理論角度，研究團(tuán)隊(duì)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(jī)微分方程方法、量子朗之萬(wàn)方程方法和非線性光學(xué)方法等；從設(shè)計(jì)方案出發(fā)，對(duì)各種控制目的和策略進(jìn)行了深入的探討；最后從實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)在量子相干互連、構(gòu)建具有多比特量子芯片、量子計(jì)算機(jī)互聯(lián)和量子通信網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場(chǎng)景中起著至關(guān)重要的作用。

研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)了關(guān)于飛行量子比特控制理論、實(shí)驗(yàn)的研究基礎(chǔ)和進(jìn)展，不僅對(duì)于實(shí)現(xiàn)上述討論的三類量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景具有重要意義，其研究結(jié)論對(duì)其它類型的量子系統(tǒng)的研究也具有潛在的參考價(jià)值，如量子中繼器、量子測(cè)量、量子傳感器和量子反饋系統(tǒng)等。

目前，關(guān)于簡(jiǎn)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(jìn)展，但對(duì)于復(fù)雜的量子系統(tǒng)和控制目的，則需要進(jìn)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(duì)象和控制目的。同時(shí)，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(shí)，與靜止量子比特控制實(shí)驗(yàn)相比，飛行量子比特控制實(shí)驗(yàn)的研究相對(duì)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(xué)/量子院兼聘研究員李鐵夫、清華大學(xué)副教授吳熱冰。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中關(guān)村管委會(huì)以及北京自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

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