量子運算進化！光子量子位元在無需糾錯技術下，即可實現更準確的量子運算

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科技產業資訊室(iKnow) - 茋郁發表於 2024年11月26日

圖、量子運算進化！光子量子位元在無需糾錯技術下，即可實現更準確的量子運算

在AI和數據推動科學革命的時代，量子運算技術正在成為新藥和新材料開發的另一個遊戲規則改變者。

韓國科學技術研究院(KIST)量子技術中心的研究團隊執行了一種量子運算演算法，該演算法在化學精度估計原子間距和基態能量，使用比傳統方法更少的資源，並且已經成功地執行了精確的計算，而無需額外的量子誤差緩解技術。

量子電腦的缺點是隨著運算空間在目前水準上的增加，誤差也會迅速增加。為了克服這個問題，結合了傳統電腦和量子電腦優點的量子變分電路(VQE；Variational Quantum Eigensolver)方法應運而生。

VQE是一種混合演算法，旨在結合使用量子處理器(QPU) 和中央處理器(CPU)來執行更快的計算。包括：IBM和谷歌在內的全球研究團隊正在各種量子系統中研究它，包括超導和離子阱系統。然而，基於量子位元的VQE目前僅在光子系統中實現了最多2個量子位元，在超導系統中最多實現了12個量子位元，並且受到錯誤問題的挑戰，使得在需要更多量子位元和複雜運算時，難以擴展。

該團隊沒有使用量子位元，而是使用了一種更高維度形式的量子資訊，稱為"qudit(多維量子位元)"。 qudit是一種量子單元，除了傳統量子位元可以表示的0和1之外，還可以具有多種狀態，包括0、1和2，這有利於複雜的量子運算。

在這項研究中，qudit是透過單光子的軌道角動量狀態實現的，並且透過全像圖調整光子的相位可以實現維度擴展。這使得無需複雜的量子閘即可進行高維運算，從而減少了錯誤。

該團隊利用該方法透過VQE進行量子化學計算，估算了四維氫分子和16維氫化鋰(LiH)分子之間的鍵長，首次在光子系統中實現了16維計算。

雖然 IBM、谷歌和其他公司的傳統VQE，仍需要錯誤緩解技術來確保化學準確性，但KIST團隊的VQE在沒有任何錯誤緩解技術的情況下實現了化學準確性。這證明了如何用更少的資源實現高精度，顯示出在分子特性很重要的產業中廣泛應用的潛力。預計它還可用於解決氣候建模，開發新藥和提高電池性能等複雜問題，也為光子量子位元的發展找到下一個可以突破的關鍵。（861字；圖1）

參考資料：
Photon qubits challenge AI, enabling more accurate quantum computing without error-correction techniques. phys.org. 2024/11/21.
Photon qubits advance quantum computing without error correction techniques. Space Daily. 2024/11/22.

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