藝術(shù)家對(duì)邏輯量子比特的門操作的印象，通過(guò)量子糾錯(cuò)保護(hù)其免受故障影響。圖片來(lái)源：Johannes Knünz

演示容錯(cuò)量子計(jì)算的基本構(gòu)建塊

由于高質(zhì)量的制造，信息處理和存儲(chǔ)過(guò)程中的錯(cuò)誤在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中變得罕見(jiàn)。但是，對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用程序，即使單個(gè)錯(cuò)誤也可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，仍然使用基于已處理數(shù)據(jù)冗余的糾錯(cuò)機(jī)制。

量子計(jì)算機(jī)本質(zhì)上更容易受到干擾，因此幾乎肯定會(huì)總是需要糾錯(cuò)機(jī)制。否則，錯(cuò)誤將在不受控制的情況下在系統(tǒng)中傳播，并且信息將丟失。由于量子力學(xué)的基本定律禁止復(fù)制量子信息，因此可以通過(guò)將邏輯量子信息分配到幾個(gè)物理系統(tǒng)的糾纏狀態(tài)（例如，多個(gè)單獨(dú)的原子）來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。

由因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系的Thomas Monz和德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和Forschungszentrum Jülich的Markus Müller領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在首次成功地在兩個(gè)邏輯量子位上實(shí)現(xiàn)了一組計(jì)算操作，可用于實(shí)現(xiàn)任何可能的操作。“對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的量子計(jì)算機(jī)，我們需要一套通用的門，我們可以用它來(lái)編程所有算法，”來(lái)自因斯布魯克的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Lukas Postler解釋說(shuō)。

實(shí)現(xiàn)基本量子運(yùn)算

研究小組在具有16個(gè)被捕獲原子的離子阱量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了這種通用門集。量子信息存儲(chǔ)在兩個(gè)邏輯量子位中，每個(gè)位分布在七個(gè)原子上。

現(xiàn)在，這是第一次，已經(jīng)有可能在這些容錯(cuò)量子比特上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)計(jì)算門，這對(duì)于一組通用的門是必要的：在兩個(gè)量子比特（一個(gè)CNOT門）和一個(gè)邏輯T門上進(jìn)行計(jì)算操作，這在容錯(cuò)量子比特上特別困難。

演示了容錯(cuò)量子計(jì)算的基本構(gòu)建塊。圖片來(lái)源：Uni Innsbruck/Harald Ritsch

“T門是非常基本的操作，”理論物理學(xué)家Markus Müller解釋說(shuō)?！八鼈兲貏e有趣，因?yàn)闆](méi)有T門的量子算法可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上相對(duì)容易地模擬，從而否定任何可能的加速。對(duì)于具有T門的算法來(lái)說(shuō)，這不再可能。物理學(xué)家通過(guò)在邏輯量子位中制備特殊狀態(tài)并通過(guò)糾纏門操作將其傳送到另一個(gè)量子位來(lái)演示T門。

復(fù)雜性增加，但準(zhǔn)確性也增加

在編碼的邏輯量子比特中，存儲(chǔ)的量子信息受到保護(hù)，不會(huì)出錯(cuò)。但是，如果沒(méi)有計(jì)算操作，這是無(wú)用的，這些操作本身就容易出錯(cuò)。

研究人員已經(jīng)對(duì)邏輯量子位實(shí)施了操作，使得由底層物理操作引起的錯(cuò)誤也可以被檢測(cè)和糾正。因此，他們已經(jīng)在編碼的邏輯量子位上實(shí)現(xiàn)了一組通用門的第一個(gè)容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)。

“與非容錯(cuò)操作相比，容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)需要更多的操作。這將在單個(gè)原子的規(guī)模上引入更多的錯(cuò)誤，但是邏輯量子位上的實(shí)驗(yàn)操作比非容錯(cuò)邏輯操作更好，“Thomas Monz很高興地報(bào)告?！肮ぷ髁亢蛷?fù)雜性增加，但由此產(chǎn)生的質(zhì)量更好。研究人員還在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上使用數(shù)值模擬來(lái)檢查并確認(rèn)了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

物理學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)證明了量子計(jì)算機(jī)上容錯(cuò)計(jì)算的所有構(gòu)建塊?，F(xiàn)在的任務(wù)是在更大，因此更有用的量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這些方法。因斯布魯克在離子阱量子計(jì)算機(jī)上演示的方法也可以用于量子計(jì)算機(jī)的其他架構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：Lukas Postler，Sascha Heuβen，Ivan Pogorelov，Manuel Rispler，Thomas Feldker，Michael Meth，Christian D. Marciniak，Roman Stricker，Martin Ringbauer，Rainer Blatt，Philipp Schindler，Markus Müller和Thomas Monz的“容錯(cuò)通用量子門操作的演示”，2022年5月25日，Nature。DOI： 10.1038/s41586-022-04721-1

除其他外，歐洲聯(lián)盟在量子旗艦倡議的框架內(nèi)以及奧地利研究促進(jìn)局FFG、奧地利科學(xué)基金會(huì)FWF和奧地利工業(yè)聯(lián)合會(huì)為這項(xiàng)研究提供了財(cái)政支助。