牛津大学的科学家们在朝着大规模量子计算迈进的道路上取得了巨大飞跃，他们成功地将独立的量子处理器连接成了一个完全互联的系统。

这一突破克服了可扩展性这一重大挑战，它允许小型量子设备协同工作，而不是试图将数百万个量子位塞入单个机器中。他们利用光子链路实现了逻辑门在模块间的量子隐形传态，从本质上将它们“连接”在一起。这种分布式方法与超级计算机的工作方式类似，提供了一个灵活且可升级的系统。

朝着实现大规模实用化量子计算迈出重要一步，牛津大学物理系的科学家们首次成功演示了分布式量子计算。他们使用光子网络接口连接了两个独立的量子处理器，从而有效地创建了一台单一、完全集成的量子计算机。这一突破为解决以往不可能解决的复杂问题打开了大门。他们的研究成果于今日（2月5日）发表在《自然》杂志上。

量子计算面临的最大挑战之一就是可扩展性。若要真正实现变革，量子计算机需要处理数百万个量子比特。然而，要想把如此多的量子比特集成到一台机器中，就需要制造出一个庞大且不切实际的装置。而这种新方法则是将较小的量子处理器连接在一起，使它们能够在网络上共享计算工作量。从理论上讲，可以连接的处理器数量没有限制，这使得这一方案具有高度可扩展性。

光子链路：扩展的关键

该可扩展架构基于各个仅包含少量俘获离子量子位（量子信息的原子尺度载体）的模块。这些模块使用光纤相互连接，并且使用光（光子）而非电信号在其间传输数据。这些光子链路能够实现不同模块中量子位的纠缠，[1]从而允许使用量子隐形传态跨模块执行量子逻辑。[2]

尽管此前已实现量子态的传输，但本研究首次通过网络链路实现了逻辑门（算法的最小组成部分）的量子传输。研究人员表示，这可能会为未来的“量子互联网”奠定基础，在该网络中，远程处理器可以构建用于通信、计算和传感的超安全网络。

牛津大学物理系的研究负责人道格尔·梅恩说：“以前的量子隐形传态演示都集中在物理分离系统间的量子态传输。在我们的研究中，我们使用量子隐形传态在这些远程系统间建立交互。通过仔细调整这些交互，我们可以在单独量子计算机内的量子比特间执行逻辑量子门——量子计算的基本运算。这一突破使我们能够有效地将不同的量子处理器‘连接在一起’，组成单个全连接的量子计算机。”

像超级计算机一样连接量子处理器

这一概念类似于传统超级计算机的工作原理。传统超级计算机由多台小型计算机组合而成，以实现比单独每一台计算机都更为强大的功能。此策略绕开了许多与在单个设备中封装越来越多量子比特相关的工程障碍，同时保留了精确和稳健计算所需的精密量子特性。

道格尔·梅恩补充道：“通过使用光子链路将各个模块相互连接，该系统获得了宝贵的灵活性，可以在不破坏整个架构的情况下对模块进行升级或替换。”

研究人员通过执行Grover搜索算法证明了该方法的有效性。该量子方法利用量子叠加和纠缠现象并行探索多种可能性，从而在大型非结构化数据集中搜索特定项目的速度要远远快于普通计算机。此次成功演示突显了分布式方法如何将量子功能扩展到单个设备的极限之外，并为可扩展、高性能量子计算机奠定了基础，这种量子计算机功能强大，可在数小时内完成当今超级计算机需要数年时间才能解决的计算。

该研究团队首席研究员、英国量子计算和模拟中心首席科学家、牛津大学物理学教授大卫·卢卡斯表示：“我们的实验证明，利用现有技术实现网络分布式量子信息处理是可行的。扩大量子计算机的规模仍然是一项艰巨的技术挑战，未来几年可能需要新的物理见解和大量的工程工作。”

参考文献：《通过光学网络链接的分布式量子计算》，作者：D. Main、P. Drmota、D. P. Nadlinger、E. M. Ainley、A. Agrawal、B. C. Nichol、R. Srinivas、G. Araneda和D. M. Lucas，发表于2025年2月5日，期刊《自然》。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1038/s41586-024-08404-x

牛津大学物理系在基础量子研究和应用量子研究领域均处于世界领先地位，其研究团队致力于拓展光子工程、原子尺度控制和算法创新的边界。本研究的主要资金由英国研究与创新署工程与物理科学研究理事会 (EPSRC) 通过英国国家量子技术计划中的英国量子计算和模拟 (QCS) 中心提供。