量子計(jì)算機(jī)理論上可以解決宇宙生命周期內(nèi)任何常規(guī)計(jì)算機(jī)都無法解決的問題。然而，需要大量的工程和技術(shù)才能將其“理論上”轉(zhuǎn)化為一個(gè)能工作的量子設(shè)備，從而真正開始實(shí)現(xiàn)這一承諾的應(yīng)用。在一項(xiàng)新的研究中，研究人員成功地開發(fā)了一種技術(shù)，可以以所謂的“容錯(cuò)”方式執(zhí)行任何可能的量子計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)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(shí)為1和0。這本質(zhì)上允許每個(gè)量子比特一次執(zhí)行多個(gè)計(jì)算。理論上，量子位可以連接到通用量子計(jì)算機(jī)中，這些計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行任何潛在的量子計(jì)算。量子力學(xué)鏈接或糾纏的量子比特越多，它們可以同時(shí)進(jìn)行的計(jì)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(dāng)今最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)通常每1000次操作中大約會(huì)發(fā)生一次錯(cuò)誤。然而，許多實(shí)際應(yīng)用需要錯(cuò)誤率降低十億倍或更多。

科學(xué)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(bǔ)償這些高錯(cuò)誤率。這將有助于量子計(jì)算機(jī)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤，從而使研究人員迄今為止開發(fā)的一千個(gè)左右的“物理量子比特”組成一個(gè)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(gè)被捕獲的原子或光子或任何量子計(jì)算介質(zhì)組成，而是一個(gè)能夠執(zhí)行實(shí)際計(jì)算并跨越多個(gè)物理量子位的實(shí)體。

然而，構(gòu)建一個(gè)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)需要的不僅僅是擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)物理量子位。量子計(jì)算機(jī)還需要各種輔助量子比特。

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

近日，因斯布魯克大學(xué)的研究人員首次成功在兩個(gè)邏輯量子位上實(shí)現(xiàn)了一套計(jì)算操作，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)了這個(gè)通用門集。這意味著容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。

量子門是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的基本單元，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子門操作是容錯(cuò)量子計(jì)算的必要條件。因此，研究人員在邏輯量子位中準(zhǔn)備了一個(gè)特殊的狀態(tài)，并通過糾纏門操作將其傳送到另一個(gè)量子位來演示T門。

在編碼過的邏輯量子位中，存儲(chǔ)的量子信息被保護(hù)著，不會(huì)出錯(cuò)。但如果不進(jìn)行計(jì)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(jìn)行了操作，使基礎(chǔ)物理操作引起的錯(cuò)誤可以被檢測(cè)和糾正，并在編碼的邏輯量子位上實(shí)現(xiàn)了通用門集的第一個(gè)容錯(cuò)演示。

可以說，在容錯(cuò)量子位中，實(shí)現(xiàn)基于兩個(gè)量子位（一個(gè) CNOT門，即量子受控非門）和一個(gè)邏輯T門的計(jì)算操作難以進(jìn)行。但該研究在離子阱量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了通用量子門集，這對(duì)于容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)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(cè)小錯(cuò)誤可能增長(zhǎng)為無法糾正的大錯(cuò)誤的事件。奧地利因斯布魯克大學(xué)量子物理學(xué)家Lukas Postler表示，理論上，flag量子比特應(yīng)該減少容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)所需的輔助量子比特的數(shù)量。

“我認(rèn)為這項(xiàng)工作最令人興奮的方面是，盡管電路的復(fù)雜性更高，但與非容錯(cuò)邏輯操作相比，我們看到容錯(cuò)邏輯操作的質(zhì)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(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)鋪平道路。

審核編輯 ：李倩