一种包含离子阱的芯片，研究人员用它来捕获和控制原子离子量子比特（量子比特）。 图片来源：Kai Hudek/JQI
UMD 的量子计算机实验表明，组合量子计算机部件并不一定意味着组合它们的错误率。
Pobody 的神经质——甚至连作为计算机基础的那些冷漠的计算位都没有。 但 JQI 研究员 Christopher Monroe 的团队与杜克大学的同事一起，在确保我们可以信任量子计算机的结果方面取得了进展，即使它们是由有时会失败的部分构建的。 他们在实验中首次表明， 量子计算 碎片可以比用来制造它的最糟糕的部分更好。 在期刊上发表的一篇论文中 自然 今天（4 年 2021 月 XNUMX 日），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比特（比特的量子版本）组合在一起，使它们作为一个称为逻辑量子比特的单个单元一起发挥作用。 他们基于量子纠错码创建了逻辑量子位，因此，与单个物理量子位不同，错误可以很容易地检测和纠正，并且他们使其具有容错性——能够包含错误以最大限度地减少其负面影响。
“由相同原子离子组成的量子比特本身就非常干净，”门罗说，他也是量子信息和计算机科学联合中心的研究员，也是马里兰大学物理系的大学公园教授。 “然而，在某些时候，当需要许多量子位和操作时，必须进一步减少错误，并且添加更多量子位和以不同方式编码信息会更简单。 原子离子纠错码的美妙之处在于它们可以非常高效，并且可以通过软件控制灵活地打开。”
克里斯托弗·门罗实验室中装有离子阱量子计算机的盒子。 信用：
马尔科塞蒂纳/JQI
这是第一次证明逻辑量子位比制造它所需的最容易出错的步骤更可靠。 该团队能够成功地将逻辑量子比特置于其起始状态并在 99.4% 的时间内对其进行测量，尽管依赖于六个量子操作，而这些操作单独预计只有大约 98.9% 的时间工作。
这听起来可能没什么大区别，但它是寻求构建更大的量子计算机的关键一步。 如果六个量子操作是流水线工人，每个人专注于一项任务，则流水线只能在 93.6% 的时间内产生正确的初始状态（98.9% 乘以自身六次）——大约比在本实验。 这种改进是因为在实验中，不完美的部分协同工作，以最大限度地减少量子错误复合和破坏结果的机会，类似于警惕的工人互相发现错误。
该结果是使用 UMD 的 Monroe 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），这些原子通过激光冷却并悬浮在芯片上的电极上。 然后，他们通过激光操纵每个离子作为量子比特。
“我们有 32 束激光，”Monroe 说。 “而原子就像排成一排的鸭子； 每个都有自己的完全可控的激光束。 我认为它就像原子形成一个线性弦，我们像吉他弦一样弹拨它。 我们用我们以可编程方式打开和关闭的激光来采摘它。 那就是计算机； 那是我们的中央处理器。”
通过使用该系统成功创建容错逻辑量子位，研究人员表明，精心、创造性的设计有可能使量子计算摆脱当前技术水平不可避免的错误的约束。 容错逻辑量子位是一种规避现代量子位错误的方法，并且可以成为可靠且足够大以供实际使用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比特很重要，因为墨菲定律是无情的：无论你建造一台机器多么好，最终都会出错。 在计算机中，任何位或量子位都有可能偶尔失败。 实际量子计算机中涉及的许多量子位意味着错误有很多机会潜入。
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在您发送之前找出拼写错误。 人或驱动器都必须为了一个错误而搞砸才能生存。 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并避免其他不便。 使用简单冗余的纠错可以减少未捕获错误的机会，只要您的程序错误的频率不高于正确的频率——例如，一式三份发送或存储数据并信任多数投票可以降低错误的机会百分之一到不到千分之一。
因此，尽管可能永远无法达到完美，但只要您负担得起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类似地补充他们为制造更好的量子位所做的努力，并允许他们构建量子计算机，而不必克服量子设备所遭受的所有错误。
“容错的惊人之处在于，它是如何将不可靠的小部件变成非常可靠的设备的秘诀，”杜克大学电气和计算机工程教授、该论文的合著者 Kenneth Brown 说。 “容错的量子纠错将使我们能够从有缺陷的量子部件中制造出非常可靠的量子计算机。”
但量子纠错面临着独特的挑战——量子比特比传统比特更复杂，并且可能在更多方面出错。 你不能只复制一个量子比特，甚至不能简单地在计算过程中检查它的值。 量子位具有优势的全部原因在于，它们可以存在于多个状态的量子叠加中，并且可以在量子力学上相互纠缠。 要复制一个量子比特，您必须确切知道它当前存储的信息是什么——从物理角度来说，您必须对其进行测量。 测量将其置于一个明确定义的量子态，破坏量子计算所基于的任何叠加或纠缠。
因此，对于量子纠错，您必须纠正不允许复制甚至无法仔细查看的位中的错误。 就像蒙着眼睛在校对一样。 在 1990 年代中期，研究人员开始提出利用量子力学的微妙之处来做到这一点的方法，但量子计算机才刚刚达到可以将这些理论用于检验的地步。
关键思想是从冗余物理量子位中制作一个逻辑量子位，这种方式可以检查量子位是否与某些量子力学事实一致，而无需单独知道它们中的任何一个的状态。
无法改进原子
有许多建议的量子纠错码可供选择，有些更自然地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势。 因此，构建一台实用的量子计算机需要了解并处理您的方法带来的特定错误和优势。
Monroe 及其同事使用的基于离子阱的量子计算机的优势在于它们的各个量子位相同且非常稳定。 由于量子位是带电离子，因此每个量子位都可以通过电推动与线路中的所有其他量子位通信，与需要与近邻建立牢固连接的系统相比，提供了自由度。
“它们是特定元素和同位素的原子，因此它们是完全可复制的，”Monroe 说。 “当你将相干性存储在量子比特中并且不理会它们时，它基本上永远存在。 因此，单独放置时的量子比特是完美的。 为了利用那个量子比特，我们必须用激光戳它，我们必须对它做点什么，我们必须坚持 原子 在真空室中使用电极，所有这些技术上的东西都有噪音，它们会影响量子比特。”
对于门罗的系统，最大的错误来源是纠缠操作——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位组合成逻辑量子位的必要部分。 因此，虽然团队不能希望让他们的逻辑量子位比单个离子量子位更稳定地存储信息，但纠正纠缠量子位时发生的错误是一项至关重要的改进。
研究人员选择 Bacon-Shor 代码作为其系统优缺点的良好匹配。 对于这个项目，他们只需要他们的系统可以支持的 15 个离子中的 32 个，其中两个离子没有用作量子比特，而只需要在其他离子之间获得均匀的间距。 对于代码，他们使用 XNUMX 个量子位对单个逻辑量子位进行冗余编码，并使用 XNUMX 个额外的量子位来找出可能发生错误的位置。 有了这些信息，理论上可以纠正检测到的有缺陷的量子位，而不会通过测量任何单个量子位的状态来损害量子位的“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 XNUMX 个量子位才能获得一个逻辑量子位，”该论文的第一作者 JQI 研究生 Laird Egan 说。 “但这种冗余有助于我们寻找错误并纠正它们，因为单个量子比特上的错误可以受到其他八个量子比特的保护。”
该团队成功地将 Bacon-Shor 代码与离子阱系统一起使用。 由此产生的逻辑量子比特需要六次纠缠操作——每一次的预期错误率在 0.7% 到 1.5% 之间。 但是由于代码的精心设计，当纠缠操作用于准备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。
该团队仅在 0.6% 的时间内观察到量子比特准备和测量中的错误——低于任何单个纠缠操作预期的最低错误。 然后，该团队能够将逻辑量子位移动到第二个状态，误差仅为 0.3%。 该团队还故意引入错误并证明他们可以检测到它们。
“这确实是量子纠错首次提高底层组件性能的演示，”Egan 说。 “而且没有理由其他平台在扩大规模时不能做同样的事情。 这确实是量子纠错有效的概念证明。”
随着团队继续这项工作，他们说他们希望在从他们的量子位中构建更具挑战性的量子逻辑门、执行完整的纠错周期（其中检测到的错误被主动纠正）以及将多个逻辑量子位纠缠在一起方面取得类似的成功.
“在这篇论文之前，每个人都专注于制造一个符合逻辑的量子比特，”Egan 说。 “现在我们已经制造了一个，我们就像，'单个逻辑量子比特可以工作，那么你可以用两个做什么呢？'”
参考：Laird Egan、Dripto M. Debroy、Crystal Noel、Andrew Risinger、Daiwei Zhu、Debopriyo Biswas、Michael Newman、Muyuan Li、Kenneth R. Brown、Marko Cetina 和 Christopher 撰写的“纠错量子比特的容错控制”梦露，4 年 2021 月 XNUMX 日， 自然.
DOI：10.1038 / s41586-021-03928-y
