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基本步骤表明,量子计算机可以比它们各部分的总和更好

Poobe的神经甚至不是冷漠的、计算的比特,这是计算机的基础。但JQI研究员克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)的团队与杜克大学的同事们一起,在确保我们能够信任量子计算机的结果方面取得了进展,即使量子计算机是由有时会失败的部件制成的。他们在一项实验中首次表明,量子计算部件的组装可以比用来制造量子计算部件的最差部件更好。在2021年10月4日发表在《自然》杂志上的一篇论文中,该团队分享了他们如何向可靠、实用的量子计算机迈出这一里程碑式的一步。

在他们的实验中,研究人员将几个量子位与量子版本的量子位结合起来,使它们作为一个称为逻辑量子位的单一单元一起工作。他们基于量子纠错码创建了逻辑量子位,这样,与单个物理量子位不同,错误可以很容易地被检测和纠正,并且他们使其具有容错能力,能够包含错误,从而将其负面影响降至最低。

“由相同原子离子组成的量子比特本身是非常干净的,”梦露说,他也是量子信息与计算机科学联合中心的研究员,也是马里兰大学物理系的一位大学公园教授。然而,在某些情况下,当需要许多量子位和运算时,错误必须进一步减少,添加更多量子位和以不同方式编码信息更简单。原子离子纠错码的美妙之处在于它们可以非常有效,并且可以通过软件控制灵活地打开

这是逻辑量子位第一次被证明比最容易出错的步骤更可靠。该团队成功地将逻辑量子位置于其起始状态,并在99.4%的时间内对其进行测量,尽管依赖于六种量子操作,预计它们各自仅在98.9%的时间内工作。

这听起来可能没有什么大区别,但这是构建更大量子计算机的关键一步。如果六个量子操作是装配线工人,每个人都专注于一项任务,那么装配线只会在93.6%的时间内产生正确的初始状态(98.9%乘以自身的六倍)——大约是实验中测量的误差的十倍。这一改进是因为在实验中,不完美的部分一起工作,以最大限度地减少量子错误复合和破坏结果的机会,类似于警惕的工作人员抓住彼此的错误。

这一结果是通过UMD的门罗离子阱系统实现的,该系统使用多达32个单独的带电原子离子,这些离子被激光冷却并悬浮在芯片的电极上。然后他们用激光操纵每个离子,将其作为量子位。

“我们有32束激光,”门罗说。“原子就像排成一排的鸭子;每个都有自己完全可控的激光束。我认为它就像原子形成一条线性的弦,我们像吉他弦一样拨动它。我们用激光拨动它,我们以可编程的方式打开和关闭。那是计算机;那是我们的中央处理器。”

通过使用该系统成功地创建了容错逻辑量子比特,研究人员已经证明,仔细、创造性的设计有可能将量子计算从当前技术中不可避免的错误的约束中解放出来。容错逻辑量子位是一种绕过现代量子位中的错误的方法,可以作为可靠和足够大的量子计算机的基础。

纠正错误和容忍错误

开发能够纠错的容错量子位非常重要,因为墨菲定律是无情的:不管你把机器造得多么好,最终总会出问题。在计算机中,任何比特或量子位都有可能在工作中偶尔出现故障。而实际量子计算机中所涉及的许多量子比特意味着存在许多错误潜入的机会。

幸运的是,工程师可以设计一台计算机,使其各部分协同工作,以捕捉错误,例如将重要信息备份到额外的硬盘驱动器,或让第二个人阅读您的重要电子邮件,以便在发送之前捕捉错别字。无论是人还是驱动器都必须为一个错误而陷入困境才能生存。虽然完成任务需要更多的工作,但冗余有助于确保最终质量。

一些流行的技术,如手机和高速调制解调器,目前使用纠错来帮助确保传输质量和避免其他不便。使用简单冗余进行错误更正可以减少未捕获错误的机会,只要您的过程不是错误的多于正确的。例如,发送或存储一式三份的数据并相信多数票可以将错误的几率从百分之一降低到千分之一以下。

因此,尽管可能永远无法达到完美,但只要你能够负担使用额外资源的代价,纠错可以使计算机的性能达到所需的水平。研究人员计划使用量子纠错来补充他们的努力,以制造更好的量子比特,并允许他们在不必克服量子设备所遭受的所有错误的情况下构建量子计算机。

杜克大学电气和计算机工程教授、论文合著者肯尼思·布朗(Kenneth Brown)说:“容错的神奇之处在于,它是一种将不可靠的小部件转化为非常可靠的设备的方法。”。“容错量子纠错将使我们能够用有故障的量子部件制造出非常可靠的量子计算机。”

但是量子纠错有着独特的挑战,量子比特比传统比特更复杂,并且可能以更多的方式出错。你不能仅仅抄一个量子位,或者甚至只是在计算的中间检查它的值。量子比特之所以有优势,是因为它们可以存在于多个态的量子叠加中,并且可以在量子力学上相互纠缠。要复制一个量子位,你必须准确地知道它当前以物理术语存储的信息,你必须测量它。一次测量将它放入一个定义明确的量子态,破坏量子计算所建立的任何叠加或纠缠。

所以对于量子错误修正,你们必须修正你们不能复制甚至不能看得太近的错误。这就像蒙着眼睛校对一样。在20世纪90年代中期,研究人员开始利用量子力学的精妙之处提出实现这一目标的方法,但量子计算机刚刚达到可以检验这些理论的地步。

关键思想是用冗余的物理量子位制造出一个逻辑量子位,这种方式可以检查这些量子位是否符合某些量子力学事实,而不知道它们各自的状态。

在原子上无法改进

有许多建议的量子纠错码可供选择,其中一些更适合创建量子计算机的特定方法。每种制造量子计算机的方法都有自己的错误类型和独特的优点。因此,构建一台实用的量子计算机需要理解并处理您的方法带来的特定错误和优势。

门罗及其同事使用的基于离子阱的量子计算机的优点是,它们各自的量子位元相同且非常稳定。由于量子位元是带电离子,因此每个量子位元都可以通过电推与线路中的所有其他量子位元进行通信,与需要与近邻牢固连接的系统相比,这给了系统自由度。

“它们是特定元素和同位素的原子,所以它们是完全可复制的,”门罗说。“当你把相干性储存在量子位中,而不去管它们时,它基本上永远存在。因此,不去管它的量子位是完美的。为了利用这个量子位,我们必须用激光戳它,我们必须对它做些事情,我们必须用真空室中的电极抓住原子,所有这些技术上的东西都有噪音,一个d它们可以影响量子位。”

对于门罗的系统来说,最大的误差源是纠缠操作——用激光脉冲在两个量子位之间创建量子链接。纠缠操作是操作量子计算机和将量子比特组合成逻辑量子比特的必要部分。因此,尽管研究小组不希望让他们的逻辑量子比特比单个离子量子比特更稳定地存储信息,但纠正纠缠量子比特时出现的错误是一项至关重要的改进。

研究人员选择Bacon-Shor代码作为他们系统优缺点的最佳匹配。在这个项目中,他们的系统只需要支持32个离子中的15个,其中两个离子没有用作量子位,只需要在其他离子之间获得一个均匀的间距。对于代码,他们使用九个量子位对单个逻辑量子位进行冗余编码,并使用四个额外的量子位找出潜在错误发生的位置。有了这些信息,理论上,检测到的错误量子位可以被修正,而不会因为测量任何单个量子位的状态而损害量子位的“量子性”。

“量子纠错的关键部分是冗余,这就是为什么我们需要九个量子比特才能得到一个逻辑量子比特,”JQI研究生莱尔德·伊根(Laird Egan)说,他是论文的第一作者。“但这种冗余有助于我们寻找错误并加以纠正,因为单个量子位上的错误可以由其他八个量子位保护。”

该团队成功地将Bacon Shor代码用于离子阱系统。产生的逻辑量子位需要六个纠缠操作,每个操作的预期错误率在0.7%到1.5%之间。但由于代码的精心设计,当使用纠缠操作准备处于初始状态的逻辑量子位时,这些错误不会组合成更高的错误率。

研究小组只在量子比特的制备和测量过程中观察到了0.6%的时间误差,低于任何单个缠绕操作的最低预期误差。然后,研究小组将逻辑量子位移动到第二个状态,误差仅为0.3%。该团队还有意引入错误,并证明他们能够检测到错误。

“这真的是量子纠错第一次提高了底层组件的性能,”Egan说。“没有理由其他平台不能在扩展时做同样的事情。这确实是量子纠错有效的概念证明。”

随着该团队继续这项工作,他们表示希望在用量子比特构建更具挑战性的量子逻辑门、在检测到的错误被积极纠正的情况下执行完整的纠错周期以及将多个逻辑量子比特纠缠在一起等方面取得类似的成功。

“在这篇论文之前,每个人都专注于制作一个逻辑量子位,”伊根说。“现在我们已经制作了一个,我们就像‘单个逻辑量子位工作,那么两个怎么办?’

除了门罗、布朗和伊根之外,这篇论文的其他合著者如下:JQI研究科学家Marko Cetina;JQI研究生Andrew Risinger、Daiwei Zhu和Debopriyo Biswas;杜克大学物理研究生德里普托·M·德布罗伊;杜克大学博士后研究人员克里斯托·诺埃尔和迈克尔·纽曼;佐治亚理工学院研究生李木元。