荷蘭量子計(jì)算公司QuTech的研究人員與代爾夫特理工大學(xué)、荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)院(TNO)合作，在量子糾錯(cuò)方面達(dá)到了一個(gè)新里程碑。他們將編碼量子數(shù)據(jù)的高保真操作與可擴(kuò)展的方案集成在一起，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。研究成果近日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》12月刊上。
物理量子位容易出錯(cuò)，這些誤差有多種來(lái)源，包括量子退相干、串?dāng)_和不完善的校準(zhǔn)。幸運(yùn)的是，量子糾錯(cuò)理論規(guī)定了在同步保護(hù)量子數(shù)據(jù)免受此類(lèi)錯(cuò)誤影響的同時(shí)進(jìn)行計(jì)算的可能性。
QuTech的萊昂納多·狄卡羅教授表示，兩種功能將糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)與當(dāng)今嘈雜的中級(jí)量子處理器區(qū)分開(kāi)來(lái)。首先，它將處理以邏輯量子位而不是物理量子位(每個(gè)邏輯量子位由許多物理量子位組成)編碼的量子信息。其次，它將使用與計(jì)算步驟交錯(cuò)的量子奇偶校驗(yàn)來(lái)識(shí)別和糾正物理量子位中發(fā)生的錯(cuò)誤，從而在處理編碼信息時(shí)保護(hù)這些信息。
根據(jù)理論，只要物理錯(cuò)誤的發(fā)生率低于閾值，并且用于邏輯運(yùn)算和穩(wěn)定的電路是容錯(cuò)的，邏輯錯(cuò)誤率可以被指數(shù)級(jí)抑制。
因此，增加冗余并使用越來(lái)越多的量子位來(lái)編碼數(shù)據(jù)，凈誤差就會(huì)下降。代爾夫特理工大學(xué)的研究人員與TNO合作，朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了重要一步，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由七個(gè)物理量子位(超導(dǎo)傳輸子)組成的邏輯量子位。
QuTech的芭芭拉·特豪教授稱，新研究表明可使用編碼信息進(jìn)行計(jì)算所需的所有操作。這種將高保真邏輯運(yùn)算與重復(fù)穩(wěn)定的可擴(kuò)展方案相結(jié)合是量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵步驟。
研究人員解釋說(shuō)，到目前為止，他們不僅實(shí)現(xiàn)了編碼和穩(wěn)定，也證明了可以進(jìn)行計(jì)算。這就是容錯(cuò)計(jì)算機(jī)最終必須做的事情：同時(shí)處理和保護(hù)數(shù)據(jù)免受錯(cuò)誤影響。
研究人員進(jìn)行三種類(lèi)型的邏輯量子位操作：在任何狀態(tài)下初始化邏輯量子位，用門(mén)轉(zhuǎn)換它，并測(cè)量它。研究表明以上都可直接對(duì)編碼信息進(jìn)行操作。對(duì)于每種類(lèi)型，研究人員觀察到容錯(cuò)變體的性能高于非容錯(cuò)變體。容錯(cuò)操作是減少物理量子位錯(cuò)誤累積為邏輯量子位錯(cuò)誤的關(guān)鍵。
狄卡羅表示：“隨著我們?cè)黾泳幋a冗余，凈錯(cuò)誤率實(shí)際上呈指數(shù)級(jí)下降。我們目前已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向17個(gè)物理量子位，接下來(lái)將是49個(gè)。我們量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)的所有層都旨在實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)展。”(記者 張夢(mèng)然)
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