量子研究人员发现AND门

强大如量子计算机也许有一天，量子物理学可以证明，机器执行最基本计算操作的量子版本具有挑战性。现在，中国科学家已经创造了一个更实用的量子版本的简单与运算，这可能有助于量子计算在近期获得成功的应用。

现在传统的电子产品依赖于晶体管，打开或关闭，将数据表示为1和0。他们把晶体管连接在一起，制造出被称为逻辑门，实现与、或、非等逻辑操作。逻辑门是所有数字电路的基石。

相比之下，量子计算机依赖于被称为量子比特或“量子位”的组件。它们可以以一种被称为叠加的量子态存在，在这种状态下，它们本质上同时是1和0。量子计算机通过运行量子算法来工作，量子算法描述了称为量子运算的基本运算序列量子逻辑门应用于一组量子位。

“我们的工作将有助于缩小最受期待的近期应用和现有噪声设备之间的差距。”
-严飞，南方科技大学，中国深圳

叠加本质上是让每个量子比特一次执行两次计算。量子计算机拥有的量子位越多，其计算能力就能以指数方式增长。有了足够多的量子比特，量子计算机理论上可以在许多任务上大大超过所有经典计算机。例如，在量子计算机上，肖尔的算法可以破解现代密码术， Grover算法适用于搜索数据库有时速度惊人。

然而，量子计算机面临一个物理限制:所有量子运算都必须是可逆的为了工作。换句话说，量子计算机只有在它也能执行相反的操作，使其恢复到原始状态时，才能执行一项操作。(可逆性是必要的，直到量子计算运行及其结果测量．)

在日常生活中，许多行为都是可逆的——例如，你可以系鞋带，也可以解鞋带。还有一些是不可逆转的——例如，你可以煮鸡蛋，但不能生鸡蛋。

类似地，许多逻辑操作都是可逆的——您可以对一个变量应用NOT操作，然后再次应用它以将其返回到原始状态。其他的通常是不可逆的——你可以把2和2加在一起得到4，这是与运算的数学版本，但是你不能逆向运算，知道4的结果是从2和2开始的，除非你知道至少一个原始变量是什么。

与门是经典和量子算法的基本组成部分。然而，量子计算中对可逆性的需求使其实现具有挑战性。一种解决方法是使用额外的或“附属品”每个与门的量子比特，用于存储反向操作所需的数据。

然而，量子计算机目前是噪声中尺度量子(NISQ)平台这意味着它们的量子位最多可达几百个，而且也容易出错。考虑到量子计算目前的原始状态，“在已经拥挤的处理器上设计和建造容纳额外辅助量子位的硬件将是极其繁琐的，”该研究的共同高级作者、量子物理学家费燕说南方科技大学在中国深圳。

“我们的技术具有规模优势。与传统技术相比，我们的技术涉及的量子位越多，成本就越低。”
范严

现在严和他的同事们已经构建了一种新的量子版本的与门，消除了对辅助量子位的需求。他们说，通过消除这种开销，他们的新策略可以使量子计算比以往任何时候都更高效、更可扩展。

Yan说:“我们的工作将有助于缩小最受期待的近期应用和现有噪声设备之间的差距。”“我们希望看到量子与功能被添加到其他机器上的量子程序中，比如IBM量子云，被更多的人玩。”

新的量子与门不再使用辅助量子比特，而是基于量子比特通常不仅仅可以编码0和1．在这项新研究中，研究人员用量子比特编码了三种状态。这个额外的状态暂时保存执行AND操作所需的数据。

“我们不使用任何辅助量子比特，”严说。“相反，我们使用辅助状态。”

在这项新研究中，科学家们在具有可调耦合架构的超导量子处理器上实现了量子与门。谷歌的量子计算机也采用了这种架构，IBM计划在2023年开始使用它。

“我们认为我们的方案非常适合超导量子比特系统，其中辅助态丰富且易于获取，”Yan说。

在实验中，研究人员使用他们的量子与门来帮助构建Toffoli盖茨，量子计算机可以实现任何经典电路。Toffoli门是许多量子计算应用的关键元素，例如肖尔和格罗弗算法量子纠错计划。

此外，有了6个量子比特，研究人员可以在一个多达64个条目的数据库上运行格罗弗的算法。“据我们所知，之前Grover在任何系统上的搜索演示都仅限于16个条目，”Yan说。他补充说，这突出了量子与运算可以帮助扩大量子计算的方式。

总而言之，“我们真正想强调的是，我们的技术具有规模优势，”严说。“与传统技术相比，我们的技术涉及的量子位越多，成本就越低。”

虽然这些实验是用超导量子比特进行的，但Yan指出，他们的量子与门可以在其他量子计算平台上实现，“比如被困的离子而且半导体量子比特通过利用适当的辅助水平。”

科学家们详细描述了他们的发现该杂志11月14日在线自然物理．