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美研究团队研发出超级容错控制器:15个激光控制的离子悬浮在离子阱芯片上

一个美国研究小组展示了一个“逻辑量子位”的容错控制系统,它由一个阵列物理量子位组成:15个激光控制的离子悬浮在离子阱芯片上。这一壮举,标志着量子机器向着完全容错的方向迈出了关键一步。

量子计算机的信息被编码在量子比特(量子位)中,而量子比特可以同时存在于多种状态——长期以来一直被吹捧为有潜力解决传统计算机难以解决的问题。但是,用量子位元编码的信息是很微妙的,而且在嘈杂的现实世界中,容易出现难以捕捉和纠正的错误。

如果不加以控制,这样的错误将很快在所有复杂的量子计算中蔓延开来。因此,处理真正困难问题的机器需要具有“容错能力”,不仅能够迅速觉察出错误,而且能够控制错误的传播。

完全容错的量子计算,并不是一个简单的把戏。事实上,在一篇备受讨论的2018年演讲和论文中,加州理工学院(Caltech)量子物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)将其称为“一个相当遥远的梦想”。

美国马里兰大学、杜克大学和佐治亚理工学院的研究人员在光学研究员克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)的领导下开展研究,正让这一梦想更可能接近现实。

利用门罗马里兰实验室的离子阱量子计算机,该团队已经开发出一种方法,将单个物理量子位组合成一个“逻辑量子位”(logical qubit),不仅能够识别和捕获错误,而且能够纠正它们并防止它们的传播。

编码的结果是一个逻辑量子位。从原则上讲,它比组成它的单个物理量子位更可靠。该团队希望通过将这些逻辑量子位,连接到更复杂的逻辑入口和场景中来验证这一概念。

结合多个物理量子位的“逻辑量子位”这样的概念本身并不新鲜。事实上,它一直被认为是量子误差校正的基础。这种错误校正的一个关键挑战是——在计算过程中,无法复制或测量量子位元来检查它们的状态。这是因为这样做会破坏量子比特的量子特性,比如纠缠和多态叠加——这是让量子计算具有潜在优势的“秘密武器”。

将多个冗余的物理量子位集合成一个逻辑量子位,可以在不实际查询任何一个量子位的情况下,对系统进行间接的检查。

但是根据这项新研究的作者,逻辑量子位的量子纠错和容错之间的飞跃是很大的。容错计算机不仅可以捕获和纠正错误,而且能限制“错误在整个系统中传播的方式”,以避免关键电路位置的逻辑错误级联。

尽管存在额外的挑战,研究人员已经在容错量子错误校正方面取得了一些进展。但这篇新论文的作者认为,这些努力在一些关键方面还远远不够。例如,一些设置能够识别故障,但不能提取足够的信息来纠正它们。

还有一些人已经能够以容错的方式纠正单个量子位错误,但将信息编码到这些量子位或准备这些量子位的量子态的过程本身并不是容错的,这就为其他错误埋下了隐患。

新工作背后的团队希望能产生一个端到端的容错代码,跨越“所有所需的操作:状态准备、测量、逻辑门和稳定器测量”。

为此,他们使用了马里兰大学联合量子研究所(JQI)门罗实验室的实验离子阱量子计算平台。在这个平台上,多达32个相同的、激光冷却的171Yb+离子,被困在真空室中的微制作芯片上的阵列中,充当物理量子位。为了进行计算操作,可以用32个独立可控激光器发出的光来刺激单个离子。

为了从这些单个的物理量子位中创建一个逻辑量子位,研究人员选择了一种现有的量子纠错码,即所谓的培根-肖尔码(Bacon-Shor code),它特别适合于离子阱系统。人们已经知道该代码具有纠正任何单量子位错误的能力。而且,特别是在离子阱平台上,它的特性允许相对容易的容错代码编写和测量。

该团队用15个捕获的离子建立了一个线性阵列,其中9个离子作为数据量子位,而培根-肖尔编码所需的另外四个“ancilla”量子位和两个闲置的量子位元(一个在阵列的两端),则用来推动其他离子进入均匀的空间。

然后,研究人员在噪声存在的情况下,对这个逻辑量子位进行了一系列操作——包括状态准备、测量、逻辑门和稳定器测量。

结果显示,处于状态准备和测量阶段的逻辑量子位的错误率是0.6%,比在这些步骤中涉及的任何单个量子位纠缠操作的最低错误率要低。这也清楚地表明,逻辑量子位正在清除单个量子位操作中的错误,并防止这些错误合并导致更高的错误率。

该团队还能够通过一个简单的量子逻辑门来移动量子位,错误率仅为0.3%,这表明逻辑量子位在控制错误和防止错误传播方面是有效的。研究人员甚至有意将单量子位错误注入到系统中,并发现逻辑量子位能够捕获并纠正所有情况下的错误。“我们已经证明,”该团队总结道,“逻辑量子位的容错控制能够纠正所有的单量子位错误。”

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