如何構建容錯量子計算機？

量子計算機理論上可以解決宇宙生命周期內任何常規(guī)計算機都無法解決的問題。然而，需要大量的工程和技術才能將其“理論上”轉化為一個能工作的量子設備，從而真正開始實現(xiàn)這一承諾的應用。在一項新的研究中，研究人員成功地開發(fā)了一種技術，可以以所謂的“容錯”方式執(zhí)行任何可能的量子計算。

量子計算機使用量子比特或量子位，由于量子物理的模糊性，量子位可以存在于疊加狀態(tài)，即它們同時為1和0。這本質上允許每個量子比特一次執(zhí)行多個計算。理論上，量子位可以連接到通用量子計算機中，這些計算機可以執(zhí)行任何潛在的量子計算。量子力學鏈接或糾纏的量子比特越多，它們可以同時進行的計算就越多。

根據(jù)發(fā)表在近日出版的《自然》雜志上的研究人員的說法，當今最先進的量子計算機通常每1000次操作中大約會發(fā)生一次錯誤。然而，許多實際應用需要錯誤率降低十億倍或更多。

科學家通常希望通過將量子信息傳播到許多冗余的量子位來補償這些高錯誤率。這將有助于量子計算機檢測和糾正錯誤，從而使研究人員迄今為止開發(fā)的一千個左右的“物理量子比特”組成一個有用的“邏輯量子比特”。重要的是，“邏輯量子位”是抽象的，它不是由單個被捕獲的原子或光子或任何量子計算介質組成，而是一個能夠執(zhí)行實際計算并跨越多個物理量子位的實體。

然而，構建一個容錯量子計算機需要的不僅僅是擴展到數(shù)千個物理量子位。量子計算機還需要各種輔助量子比特。

此外，量子不可克隆定理表明，對任意一個未知的量子態(tài)進行完全相同的復制過程不可實現(xiàn)，需要通過將邏輯量子信息分配到多個物理系統(tǒng)的糾纏態(tài)來實現(xiàn)冗余。這就需要一套通用的門，對所有算法進行編程。

近日，因斯布魯克大學的研究人員首次成功在兩個邏輯量子位上實現(xiàn)了一套計算操作，在具有16個被捕獲原子的離子阱量子計算機上實現(xiàn)了這個通用門集。這意味著容錯量子計算機或將成為現(xiàn)實。

量子門是構建量子計算機的基本單元，實現(xiàn)高保真度的量子門操作是容錯量子計算的必要條件。因此，研究人員在邏輯量子位中準備了一個特殊的狀態(tài)，并通過糾纏門操作將其傳送到另一個量子位來演示T門。

在編碼過的邏輯量子位中，存儲的量子信息被保護著，不會出錯。但如果不進行計算操作，這樣的量子位就是無用的。因此，研究人員在邏輯量子位上進行了操作，使基礎物理操作引起的錯誤可以被檢測和糾正，并在編碼的邏輯量子位上實現(xiàn)了通用門集的第一個容錯演示。

可以說，在容錯量子位中，實現(xiàn)基于兩個量子位（一個 CNOT門，即量子受控非門）和一個邏輯T門的計算操作難以進行。但該研究在離子阱量子計算機上實現(xiàn)了通用量子門集，這對于容錯量子計算機的發(fā)展具有重大意義。

研究人員使用的輔助量子位被稱為“flag量子位”這些量子位專注于檢測小錯誤可能增長為無法糾正的大錯誤的事件。奧地利因斯布魯克大學量子物理學家Lukas Postler表示，理論上，flag量子比特應該減少容錯量子計算機所需的輔助量子比特的數(shù)量。

“我認為這項工作最令人興奮的方面是，盡管電路的復雜性更高，但與非容錯邏輯操作相比，我們看到容錯邏輯操作的質量有所提高，”Postler說。研究人員指出，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于為容錯通用量子計算機鋪平道路。

審核編輯 ：李倩