狀態注入技術為光量子裝置開闢新道路，有望突破量子運算極限

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科技產業資訊室(iKnow) - 黃松勳發表於 2024年10月11日

圖、狀態注入技術為光量子裝置開闢新道路，有望突破量子運算極限

在量子運算領域，研究人員一直在尋求突破傳統限制的方法。最近，一項發表在預印本伺服器arXiv上的研究提出了一種名為「狀態注入」(State Injection, SI)的新技術，有望顯著提升光量子裝置的性能。這項創新為量子系統超越傳統線性光學模型的限制開闢了道路，特別是在對傳統系統而言計算困難的任務中，提高了量子運算的表達能力。

狀態注入技術的核心在於結合線性光學電路，同時引入新的量子態。傳統的線性光學電路主要依賴光束分離器和相位移位器等基本元件，透過線性變換來操縱光子，但不改變光子的狀態。這種方法雖然是量子資訊處理的基礎，但缺乏非線性互動，限制了其執行複雜任務的能力。SI技術允許根據測量結果將新的量子態注入電路，進而增加量子模型的可控性和表達能力。

SI技術的一個重要優勢是，它不需要對電路進行即時重新配置。這一特點解決了現有方法(如自適應線性光學(ALO))的主要限制。研究團隊表示，SI可以提高量子裝置的能力，使其能夠解決目前傳統電腦無法解決的運算問題，尤其是在依賴概率估計的機器學習任務中。這項工作不僅提供了理論進展，還展示了如何在實踐中縮小近期量子裝置與完全容錯量子電腦之間的差距。

量子光子裝置一直被視為量子運算的有力平台，但目前仍面臨諸多挑戰，包括需要自適應測量操作以及獲取大量模式和相干光子。雖然玻色子取樣和高斯玻色子取樣等子通用量子模型，顯示出一些中間計算優勢的前景，但它們可解決的問題範圍有限，且系統的可擴展性仍是一個障礙。SI技術的提出為增強量子光子裝置的表達能力提供了一種實用的解決方案。

在典型的線性光學電路中，輸入態(通常是福克態)透過一系列么正運算(unitary operation)進行處理，並在過程中進行自適應測量。SI引入了測量某些模式然後根據這些測量結果將量子態重新注入系統的能力，有效地建立一個增強電路表達能力的反饋迴路。與ALO方案不同，SI不需要在每次測量後重新編程電路，而是預先設定么正運算的參數，因而簡化了實驗設置。

研究人員透過展示SI如何增加輸出態的自由度數量，量化了SI對量子態可控性的提升。這種複雜性的降低使SI更適合近期量子裝置的實現。在量子機器學習領域，SI的應用具有優勢前景。機器學習任務通常需要對數據進行非線性變換，而研究人員證明SI可以提供必要的非線性性，以提高量子演算法在概率估計等任務中的性能。

除了量子機器學習，SI在優化問題和量子模擬等廣泛的量子運算應用中也可能發揮作用。SI不依賴即時重新配置的特點使其特別適合運算資源有限的平台。研究人員還提供了關於SI電路生成的量子態純度演化的理論結果。雖然SI增加了量子模型的可控性，但也可能降低輸出態的純度。然而，研究團隊認為這種權衡是可以管理的，增加表達能力的整體好處超過了純度的損失。

然而，SI方法仍存在一些限制。例如，純度的降低可能對某些依賴高純度態的量子演算法構成挑戰。此外，SI的實驗實現還需要進一步發展，特別是在實現該方案所需的光子計數測量方面。未來的研究將集中在將SI框架擴展到更複雜的量子系統，如多體系統。研究團隊還有興趣探索如何將SI與超導量子位元等其他量子平台整合，以建立具有增強運算能力的混合量子系統。

總體來說，狀態注入技術為增強量子光子裝置的性能開闢了新的途徑。透過提高量子系統的可控性和表達能力，SI有望推動量子運算在機器學習、優化和模擬等領域取得突破性進展。儘管仍面臨一些技術挑戰，但這項研究為未來量子運算的發展提供了一個有前景的方向，有望縮小近期量子裝置與全功能量子電腦之間的差距。(1397字；圖1)

參考資料：
Technique Injects New Possibilities For Quantum Advantage Using Photonic Quantum Devices. The Quantum Insider. 2024/10/03.
TOWARDS QUANTUM ADVANTAGE WITH PHOTONIC STATE INJECTION. arXiv. 2024/10/02.

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