亞利桑那大學(xué)工程學(xué)院和James C. Wyant光學(xué)科學(xué)學(xué)院的研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明了量子資源不僅僅是遙遠(yuǎn)的未來的夢想--它們可以改善今天的技術(shù)。量子計(jì)算和量子傳感有可能比它們的經(jīng)典對應(yīng)物強(qiáng)大得多。一個(gè)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)千年的方程式，而且可以對從生物醫(yī)學(xué)成像到自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域產(chǎn)生不可估量的影響。

然而，這項(xiàng)技術(shù)還沒有完全出現(xiàn)。事實(shí)上，盡管關(guān)于量子技術(shù)深遠(yuǎn)影響的理論廣為流傳，但很少有研究人員能夠利用現(xiàn)在的技術(shù)證明量子方法比其經(jīng)典的對應(yīng)方法具有優(yōu)勢。

在2021年6月1日發(fā)表在《物理評(píng)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)證明了量子比經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)具有優(yōu)勢。

"證明量子優(yōu)勢是社會(huì)上長期追求的目標(biāo)，很少有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明這一點(diǎn)，"論文共同作者Zheshen Zhang說，他是材料科學(xué)和工程的助理教授，亞利桑那州量子信息和材料小組的主要調(diào)查員，也是論文作者之一。"我們正在尋求證明我們?nèi)绾文軌蚶靡呀?jīng)存在的量子技術(shù)，使現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用受益。"

量子計(jì)算和其他量子過程依賴于被稱為量子比特的微小而強(qiáng)大的信息單位。我們今天使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用被稱為比特的信息單位，它們以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。這種雙重性使它們既強(qiáng)大又脆弱。脆弱的量子比特很容易在沒有警告的情況下崩潰，這使得一個(gè)被稱為糾錯(cuò)的過程--在問題發(fā)生時(shí)就解決這些問題顯得非常重要。

量子領(lǐng)域現(xiàn)在正處于一個(gè)被加州理工學(xué)院的著名物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾稱為 "嘈雜的中間尺度量子"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)，雖然有大量的噪音，或干擾。再多的話，噪音就會(huì)超過有用性，導(dǎo)致一切崩潰。人們普遍認(rèn)為，要進(jìn)行實(shí)際有用的量子應(yīng)用，需要1萬到幾百萬個(gè)量子比特。

想象一下，發(fā)明一個(gè)系統(tǒng)，保證你做的每頓飯都會(huì)變得完美，然后把這個(gè)系統(tǒng)給一群沒有合適食材的孩子。幾年后，一旦孩子們成為成年人，可以買到他們需要的東西，這將是很好的。但在那之前，這個(gè)系統(tǒng)的用處是有限的。同樣，在研究人員推動(dòng)糾錯(cuò)領(lǐng)域的發(fā)展，從而降低噪音水平之前，量子計(jì)算也被限制在一個(gè)小范圍內(nèi)。

論文中描述的實(shí)驗(yàn)同時(shí)使用了經(jīng)典和量子技術(shù)的混合。具體來說，它使用三個(gè)傳感器對無線電頻率信號(hào)的平均振幅和角度進(jìn)行分類。

這些傳感器配備了另一種叫做糾纏的量子資源，這使得它們可以相互分享信息，并提供了兩個(gè)主要的好處。首先，它提高了傳感器的靈敏度并減少了誤差。第二，因?yàn)樗鼈兪羌m纏在一起的，所以傳感器可以評(píng)估全局屬性，而不是收集關(guān)于系統(tǒng)特定部分的數(shù)據(jù)。這對于只需要一個(gè)二進(jìn)制答案的應(yīng)用非常有用；例如，在醫(yī)學(xué)成像中，研究人員不需要知道組織樣本中每一個(gè)沒有癌變的細(xì)胞，只需要知道是否有一個(gè)細(xì)胞是癌變的。同樣的概念也適用于檢測飲用水中的有害化學(xué)物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)表明，為傳感器配備量子糾纏使它們比經(jīng)典傳感器更具優(yōu)勢，以很小但關(guān)鍵的幅度減少了出錯(cuò)的可能性。

"研究報(bào)告的共同作者、電氣和計(jì)算機(jī)工程系助理教授、量子信息理論小組的首席研究員Zhuang Quntao說："這種利用糾纏來改進(jìn)傳感器的想法并不局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，只要你有設(shè)備來糾纏傳感器。"在理論上，你可以考慮像自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)（光探測和測距）這樣的應(yīng)用。"

在NISQ時(shí)代，有一些現(xiàn)有的應(yīng)用是混合使用量子和經(jīng)典處理的，但它們依賴于預(yù)先存在的經(jīng)典數(shù)據(jù)集，必須在量子領(lǐng)域進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分類。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)使用量子方法將照片標(biāo)記為 "貓"或 "狗 "的系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)正從一個(gè)不同的角度來處理這個(gè)標(biāo)簽過程，首先使用量子傳感器來收集自己的數(shù)據(jù)。這更像是使用一個(gè)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"。

"很多算法都考慮存儲(chǔ)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，"Zhuang說。"我們的系統(tǒng)通過評(píng)估實(shí)時(shí)發(fā)生的物理過程來解決一個(gè)不同的問題。"

該團(tuán)隊(duì)對他們在量子傳感和量子計(jì)算的交叉點(diǎn)上的工作的未來應(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)裝置整合到一個(gè)芯片上，該芯片可以被浸入生物材料或水樣中以識(shí)別疾病或有害化學(xué)物質(zhì)。