首款高容错通用量子计算机原型登上Nature

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首款高容错通用量子计算机原型登上Nature

2022 年 6 月 3 日 机器之心

机器之心报道

编辑：泽南

复杂性增加，但准确性也增加了。

理论上，量子计算机可以解决常规计算机在宇宙生命周期时间内也无法解决的问题。然而，我们需要大量的工程和技术才能将其「理论上」的能力兑现，制造出实用化的量子设备。

首先，量子计算机必须能够克服自身对错误的脆弱性。在新研究中，研究人员已经成功开发出一种技术，可以用所谓「容错」的方式执行任何可能的量子计算。

在经典计算机上，我们以晶体管的开启和关闭状态表示数据符号的 1 或 0，而量子计算机使用「量子比特」，由于量子物理层面上的特殊性质，它们可以存在 1 和 0 同时成立的叠加态，从而让每个量子比特可以一次执行更多计算。

理论上，量子比特可以连接在一起成为通用量子计算机，以执行任何潜在的量子计算。量子力学连接或纠缠的量子比特越多，它们可以同时执行的计算就越多。

根据在 5 月 25 日出版的《自然》杂志上发表论文的研究人员所说，当今最先进的量子计算机通常大约每 1000 次操作就会出现一个错误。然而，许多实际生产环境下的应用要求错误率降低十亿倍或更多。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04721-1

纠错能力是量子计算面临的主要挑战之一，量子计算机本质上更容易受到干扰，因此可能总是需要纠错机制，否则错误将在系统中不受控制地传播，同时丢失信息。

因为量子力学的基本定律禁止复制量子信息，所以科学家通常将逻辑量子信息分配到多个物理系统的纠缠状态中来实现冗余，例如多个单独的原子，从而补偿高错误率。这将有助于量子计算机检测和纠正错误，研究人员迄今为止已经开发出一千个左右「物理量子比特」的集群，其可以组成一个有用的「逻辑量子比特」。

重要的是，「逻辑量子比特是一种抽象，不是由单个被困原子或光子或任何量子计算媒介组成，而是作为一个能够执行实际计算并跨越多个物理量子比特的实体。

然而，构建容错量子计算机需要的不仅仅是将规模扩展到数千个物理量子比特。量子计算机也将需要各种辅助量子比特。

当两个逻辑量子比特在一个量子逻辑门（Quantum logic gate，传统计算机逻辑门的量子计算版本）中连接时，科学家希望确保逻辑量子比特中的每个物理量子比特仅与另一个逻辑量子比特中的物理量子比特交互。这减少了物理量子比特出现错误时可能发生的中断。但这样做需要辅助量子比特来监控这些潜在错误，从而增加了这些系统的复杂性。

现在，科学家们首次开发出一种能够以容错方式执行通用操作的量子计算机。在这项新研究中，研究人员对一台具有 16 个物理量子比特的量子计算机进行了实验，每个物理量子比特都由一个电捕获的钙离子组成。量子信息存储在两个逻辑量子比特中，每个逻辑量子比特分布在七个物理量子比特上。

这些逻辑量子比特由所谓的横向逻辑 CNOT 门连接，该门将一个逻辑量子比特中的每个物理量子比特与另一个逻辑量子比特中的对应物理量子比特连接起来。研究人员还在「T 门」中使用了两个辅助量子比特，这有助于监控错误。

研究人员使用的这种辅助量子比特被称为「标记量子比特」。这些量子比特专注于检测可能发展为重大不可纠正错误事件的小错误。研究的主要作者、奥地利因斯布鲁克大学的量子物理学家 Lukas Postler 认为，对于实用型量子计算机，我们需要一套通用门，并用它来编程所有算法。理论上，标记量子比特应该会减少容错量子计算机所需的辅助量子比特数量。

「我认为这项工作最令人兴奋的方面是，尽管电路的复杂性更高，但与非容错逻辑操作相比，我们看到容错逻辑操作的质量有所提高，」 Postler 说道。研究人员指出，这些发现可能有助于为容错通用量子计算机铺平道路。

参考内容：

https://spectrum.ieee.org/fault-tolerant-quantum-computing-milestone

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220525110852.htm