美国国家标准技术研究所（NIST）的物理学家传送了一条计算机电路指令，该指令被称为两个分离的离子（带电原子）之间的量子逻辑运算，展示了量子计算机程序如何在未来的大规模量子网络中执行任务。
量子隐形传送可将数据从一个量子系统（例如离子）传输到另一个量子系统（例如第二个离子），即使两者彼此完全隔离，就像位于不同建筑物的地下室中的两本书一样。与《星际迷航》（Star Trek）中将整个人类从一艘宇宙飞船“传送”到一颗行星不同，在这一真实的隐形传送形式中，仅量子信息被传输，物质并未被传输。
先前已经使用离子和各种其他量子系统展示了量子数据的隐形传送。但这项新工作首次使用离子隐形传送了完整的量子逻辑运算，其中离子是未来量子计算机架构的主要候选架构。5月31日出刊的《科学》杂志对这些实验进行了介绍。
“我们验证并确认了我们的逻辑运算在两个量子比特的所有输入状态中都可运行，其概率为85%到87%，虽然远非完美，但是一个开始，”NIST研究人员表示。
如果能够构建全规模量子计算机，那么它可以解决目前棘手的某些问题。NIST为利用量子行为开发实用技术的全球研究工作做出了贡献，包括构建量子计算机。
若要使量子计算机达到预期的性能，可能需要数百万个量子比特（又称为“量子位”），以及在分布于大规模计算机和网络中的量子位之间进行运算的方法。隐形传送逻辑运算是在没有直接量子力学连接的情况下实现此目标的一种方式（仍然需要物理连接用于交换经典信息）。
NIST团队在位于离子阱内的不同区域且相距超过340微米（百万分之一米）的两个铍离子量子位之间隐形传送了一个量子可控非门（CNOT）逻辑运算（又称为逻辑门），这一距离可以排除任何实质性直接交互的可能性。仅当第一个量子位为1时，CNOT运算才会将第二个量子位从0翻转为1，反之亦然。如果第一个量子位为0，则不会有任何反应。在典型的量子情境中，两个量子位都可能处于“叠加”状态，此时，它们同时具有1和0的值。
NIST隐形传送过程依赖于量子纠缠，其在粒子被分离的情况下也可将粒子的量子属性联系在一起。一对互相纠缠的镁离子“信使”被用于在铍离子之间传输信息。
NIST团队发现，其隐形传送的CNOT过程使两个镁离子纠缠在一起，这是一个关键的早期步骤，成功率达到95%，而完整逻辑运算的成功率为85%到87%。
研究人员表示，栅极隐形传态允许我们在空间上分离且之前可能从未交互过的两个离子之间执行量子逻辑门。诀窍在于，它们在自己所处的一端各自拥有另一对纠缠离子中的一个，正是这一分布在逻辑门之前的纠缠资源让我们得以完成经典物理学中无法完成的量子魔法。
研究人员补充道，互相纠缠的“信使”对可在计算机的专用部件中产生，并单独运送到需要与逻辑门连接但位于偏远位置的量子位。
NIST的工作成果还首次集成到了一个实验中，包括控制不同类型的离子、离子传输以及对系统选定子集的纠缠操作，这些操作对于构建基于离子的大规模量子计算机是必不可少的。
为了验证他们执行了CNOT门，研究人员以16种不同输入状态组合准备了第一个量子位，然后测量了第二个量子位上的输出。此举生成了显示所执行过程的广义量子“真值表”。
除生成真值表之外，研究人员还检查了数据在长期运行时的一致性，以帮助确定实验装置中的误差来源。此技术有望成为未来试验表征量子信息过程的重要工具。
这项工作得到了美国国家情报总监办公室（Office of the Director of National Intelligence）、美国高级情报研究计划署（Intelligence Advanced Research Projects Activity）和海军研究办公室（Office of Naval Research）的支持。
供稿人：唐川
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